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Die
vorliegende Erfindung betrifft Hybrid-Elektrofahrzeuge, und besonders
deren Regelung während
des Anfahrens.
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Im
Allgemeinen kombiniert ein Hybrid-Elektrofahrzeug einen Elektroantrieb
mit einem traditionellen Verbrennungsmotor, um eine verbesserte Kraftstoffersparnis
und/oder niedrigere Abgasemissionen zu erreichen.
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Ein
Elektroantrieb wurde typischerweise durch den Gebrauch von Batterien
und Elektromotoren erzeugt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem
stellt die wünschenswerten
Charakteristika von hohem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, hohem
Wirkungsgrad, und die Gelegenheit der Rückgewinnung von sonst verlorener
Bremsenergie bereit.
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Antrieb
durch einen Verbrennungsmotor stellt eine hohe Energiedichte bereit
und erfreut sich wegen Massenproduktionsvorteilen einer bestehenden
Infrastruktur. Durch Kombination der beiden Antriebssysteme mit
einer geeigneten Regelstrategie besteht das Ergebnis in einer Senkung
im Gebrauch jeder der Vorrichtung in ihrem weniger effizienten Bereich.
Ferner und wie in 1 hinsichtlich einer Parallelhybrid-Konfiguration
gezeigt, resultiert die Kombination aus einem verkleinerten Motor
mit einem elektrischen Antriebssystem innerhalb eines Minimalhybrid-Elektrofahrzeugs
in einer besseren Ausnutzung des Motors, was den Kraftstoffverbrauch verbessert.
Außerdem
können
der Elektromotor und die Batterie eine Reduktion der Motorgröße ausgleichen.
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In
typischen Konfigurationen ist die Kombination der beiden Typen von
Antriebssystemen (Verbrennungsmotor und elektrisch) gewöhnlich entweder
als Reihen- oder Parallelhybrid-System
charakterisiert. In einem reinen Reihenhybrid-Antriebssystem stehen
nur der/die Elektromotor(en) in direkter Verbindung mit dem Antriebsstrang,
und der Motor wird benutzt um Elektrizität zu erzeugen, welche zu dem/den
Elektromotor(en) gespeist wird. Der Vorteil dieses Systemtyps ist
es, daß der
Motor unabhängig von
den Fahrverhältnissen
geregelt werden kann, und daher fortwährend bei seinem optimalen
Wirkungsgrad und in Bereichen geringer Emissionen betrieben werden
kann. Ein wesentlicher Nachteil der Reihenanordnung ist der Energieverlust,
der wegen der mit vollständiger
Umwandlung der Motorleistung in Elektrizität in Zusammenhang stehenden
Unzulänglichkeiten
erfahren wird.
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In
einem reinen Parallelhybrid-Antriebssystem sind sowohl der Motor
wie auch der/die Elektromotor(en) direkt mit dem Antriebsstrang
verbunden, und jeder davon kann das Fahrzeug unabhängig voneinander
antreiben. Weil in einem Parallelhybrid-Antriebssystem eine direkte
mechanische Verbindung zwischen dem Motor und dem Antriebsstrang
besteht, geht – verglichen
mit einem Reihenhybrid-Antriebssystem – weniger Energie durch Umwandlung in
Elektrizität
verloren. Der Betriebspunkt für
den Motor kann jedoch nicht immer mit aller Freiheit gewählt werden.
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Die
beiden Hybrid-Antriebssysteme können entweder
in einem umschaltenden Hybrid-Antriebssystem
oder in einem Hybrid-Antriebssystem mit Leistungsaufteilung kombiniert
werden. Ein umschaltendes Hybrid-Antriebssystem schließt typischerweise
einen Motor, einen Generator, einen Elektromotor und eine Kupplung
ein. Der Motor ist typischerweise durch den Generator verbunden.
Der Generator ist durch eine Kupplung mit dem Antriebsstrang verbunden.
Die Kupplung kann betätigt
werden, um Reihen- oder Parallelhybrid-Antrieb zu erlauben.
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Ein
Hybridsystem mit Leistungsaufteilung schließt einen Motor, eine Lichtmaschine
und einen Elektromotor ein. Die Motorleistung wird durch einen Planetengetriebesatz
in einen Reihenpfad von dem Motor zum Generator und einen Parallelpfad
von dem Motor direkt zu dem Antriebsstrang „aufgeteilt". In einem Hybridsystem
mit Leistungsaufteilung kann die Motordrehzahl geregelt werden,
indem man die Leistungsaufteilung zu dem Generator mittels des Reihenpfads
variiert, während
man die mechanische Verbindung zwischen dem Motor und Antriebsstrang durch
den Reihenpfad beibehält.
Der Elektromotor verstärkt
den Motor im Parallelpfad in einer ähnlichen Art und Weise wie
ein Fahrmotor in einem reinen Parallelhybrid-Antriebssystem, und
liefert eine Gelegenheit Energie direkt durch den Reihenpfad zu
nutzen und dadurch die Verluste zu senken, die mit Umwandlung der
elektrischen Energie in und aus chemischer Energie an der Batterie
in Zusammenhang stehen.
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In
einem typischen Hybridsystem mit Leistungsaufteilung ist der Generator
gewöhnlich
mit dem zentralen Ritzel des Planetengetriebesatzes verbunden. Der
Motor ist mit dem Planetenträger
verbunden, und die Abgabezahnräder
(die gewöhnlich eine
Abgabewelle und Zahnräder
zur Verbindung mit dem Elektromotor und dem die Räder antreibenden, abschließenden Antriebsstrang
einschließen)
sind mit dem Hohlrad verbunden. In einer solchen Konfiguration kann
das Hybridsystem mit Leistungsaufteilung allgemein in vier verschiedenen
Modi betrieben werden: einem Elektromodus und drei Hybridmodi.
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In
dem Elektromodus treibt das Hybridsystem mit Leistungsaufteilung
das Fahrzeug allein unter Verwendung gespeicherter elektrischer
Energie an, und der Motor ist abgeschaltet. Das Fahrdrehmoment wird
von dem Elektromotor, dem Generator, oder einer Kombination von
beiden geliefert. Dies ist der bevorzugte Modus, wenn die gewünschte Leistung
niedrig genug ist, so daß sie
von dem elektrischen System effizienter erzeugt werden kann als durch
den Motor, und wenn die Batterie ausreichend aufgeladen ist. Dies
ist außerdem
der bevorzugte Modus für
Rückwärtsfahrt,
weil der Motor in dieser Konfiguration kein umgekehrtes Drehmoment
zu dem Antriebsstrang liefern kann.
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In
dem Parallelhybrid-Modus arbeitet der Motor und der Generator ist
verriegelt. Durch dies wird eine feste Beziehung zwischen der Drehzahl
des Motors und der Fahrzeuggeschwindigkeit geschaffen. Der Elektromotor
arbeitet entweder als Motor, um Fahrdrehmoment zur Unterstützung der
Motorleistung zu liefern, oder er kann betrieben werden um als ein
Generator Elektrizität
zu erzeugen. Dies ist ein bevorzugter Modus, wann immer die benötigte Leistungsforderung
einen Motorbetrieb erfordert und die benötigte Antriebsleistung ungefähr gleich
einer optimierten Betriebsbedingung des Motors ist. Dieser Modus
ist besonders für
Reisegeschwindigkeiten geeignet, die ausschließlich durch den kleinen in
das Hybrid-Elektrofahrzeug
eingebauten Verbrennungsmotor beibehalten werden können.
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In
einem Hybridmodus mit positiver Aufteilung ist der Motor eingeschaltet
und seine Leistung wird zwischen einem direkten mechanischen Pfad
zu dem Antriebsstrang und einem elektrischen Pfad durch den Generator
aufgeteilt.
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In
diesem Modus ist die Motordrehzahl typischerweise höher als
die Motordrehzahl in dem Parallelmodus, woraus eine höhere Motorleistung
folgt. Die von dem Generator erzeugte Elektroenergie kann zur Speicherung
zu der Batterie fließen,
oder zur sofortigen Verwendung zu dem Elektromotor.
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in
dem Modus mit positiver Aufteilung kann der Motor entweder als ein
Motor betrieben werden, um Fahrdrehmoment zur Unterstützung der
Motorleistung zu liefern, oder um Elektrizität zur Unterstützung des
Generators zu liefern. Dies ist der bevorzugte Modus, wann immer
für den
Fahrantrieb des Fahrzeugs hohe Motorleistung benötigt wird, etwa wenn eine starke
Beschleunigung gefordert ist, wie etwa beim Überholen oder Bergauffahrt.
Dies ist außerdem
ein bevorzugter Modus wenn die Batterie lädt.
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In
einem Hybridmodus mit negativer Aufteilung ist der Motor in Betrieb
und der Generator wird gegen den Motor als ein Elektromotor verwendet,
um seine Drehzahl zu senken. Folglich sind die Motordrehzahl – und daher
die Motorleistung – niedriger
als im Parallelmodus.
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Wenn
benötigt
kann der Elektromotor auch betrieben werden um Fahrdrehmoment zu
dem Antriebsstrang zu liefern oder daraus Elektroenergie zu erzeugen.
Dieser Modus ist wegen erhöhter
Verluste an dem Generator und dem Planetengetriebesatz typischerweise
niemals bevorzugt, wird aber eingesetzt werden wenn gefordert ist
die Motorleistung unter jene zu senken, welche sonst im Parallelmodus erzeugt
würde.
Zu dieser Situation wird es typischerweise kommen weil die Batterie
sich in einem gut geladenen Zustand befindet, und/oder weil ein
geringer Bedarf an Fahrleistung besteht.
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In
dieser Hinsicht hat die Drehmomentabgabe des Generators stets die
gleiche Richtung (+/–), ob
er als Generator oder Elektromotor arbeitet; das heißt man verfügt über ein
Drehmoment das dem des Motors stets entgegengerichtet ist. Das Vorzeichen der
Drehzahl der Lichmaschine wechselt – abhängig von der Drehrichtung seiner
Welle – jedoch
zwischen negativen und positiven Werten, was Generator- beziehungsweise
Motormodi entspricht. Weil die Leistung von der Richtung der Drehzahl
abhängt
(das Drehmoment behält
die gleiche Richtung bei), wird die Leistung als positiv angesehen
wenn der Generator als Generator wirkt, und als negativ wenn der
Generator als ein Elektromotor wirkt.
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Wenn
es gewünscht
ist die Drehzahl des Motors zu senken, so wird der zu dem Generator
gelieferte Strom geändert,
was die Drehzahl des Generators dazu bringt zu sinken. Durch den
Planetengetriebesatz verlangsamt dies wiederum den Motor. Dieser Effekt
wird erreicht, weil jene gegen das Drehmoment des Generators wirkende
Wiederstandskraft an dem Motor geringer ist als an der Antriebswelle,
welche mit den Rädern
verbunden ist und von der gesamten Masse des Fahrzeugs beeinflußt wird.
Man sollte erkennen, daß die Änderung
in der Drehzahl des Generators nicht gleich zu der des Motors ist,
sondern statt dessen proportional zu ihr, und zwar wegen Übersetzungsverhältnissen
in der Verbindung dazwischen.
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In
Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen werden eine/mehrere elektrische
Speichervorrichtung(en) großer
Kapazität
benötigt,
gewöhnlich
in der Form von Batteriepaketen. Nach herkömmlicher Konstruktion schließen diese
Batterien eine Mehrzahl zylindrischer Batteriezellen ein, die gemeinschaftlich
eingesetzt werden um in dem Fahrzeug ausreichende Leistung und Reichweite
zu erzielen. Typischerweise sind Batterien innerhalb des Fahrzeugs
in einem Abteil positioniert, das konfiguriert ist um gegen Beschädigung zu
schützen
und die Zellen – und
hauptsächlich
ihren Säureinhalt –, speziell
im Fall eines Zusammenstoßes,
daran zu hindern Verletzungen oder Schaden zu verursachen. Wenn
in diesem/diesen typischerweise abgeschlossenen Abteil(en) gelagert,
beeinträchtigt
durch den Gebrauch und/oder das Aufladen erzeugte Wärmebildung
die Haltbarkeit der Batterien, und kann unter manchen Umständen einzelne
Batteriezellen zerstören.
Traditionelle Kühlung
der Batterien und des Batterieabteils erfordert es, das Volumen
des Abteils für
eine Luftkühlung
zu vergrößern, und/oder
um Kühlleitungen zu
externen Kühlern
zu führen.
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Um
in einem Hybrid-Elektrofahrzeug, in welchem der Motor mechanisch
mit den Antriebsrädern verbunden
ist, einen ruhigen Motorstart zu erzielen, wird der Start der Motor-Kraftstoffeinspritzung
und die Zündung
typischerweise bei Drehzahlen oberhalb irgendwelcher Resonanzdrehzahlen
des Antriebsstrangs vorgenommen.
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Bei
voller Anfahrbeschleunigung senkt jegliche Verzögerung in der Leistungsproduktion
des Motors die Motorleistung. Noch weiter müssen das Motordrehmoment und
Drehzahländerungsgeschwindigkeiten
begrenzt werden, um sanfte Fahrcharakteristika und niedrigen Kraftstoffverbrauch
zu erzielen.
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Bei
voller Anfahrbeschleunigung resultiert dies für den Motor gewöhnlich in
einer längeren
Zeitdauer um Maximalleistung zu erreichen, und alle diese Zustände verschlechtern
die Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs. Dies ist ein bedeutender Nachteil,
für welchen
diese Erfindung eine Lösung bereitstellt.
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Es
ist ein Gegenstand dieser Erfindung die Leistung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs
während
des Anfahrens zu maximieren.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, um
den Beitrag eines Motors zur Leistung eines Hybrid-Elektrofahrzeugs
während
einer Anfahr-Betriebsbedingung
zu maximieren, das die Schritte umfaßt: Einleiten der Anfahr-Beschleunigung des
Hybrid-Elektrofahrzeug unter ausschließlichem Einsatz eines Elektromotors des
Fahrzeugs; Vorhersagen des vom Motor geforderten Leistungsbeitrags
zum Leistungsbedarf des Hybrid-Elektrofahrzeugs während der
Anfahr-Beschleunigung bei der Einleitung der Anfahr-Beschleunigung;
und Starten des Motors des Hybrid-Elektrofahrzeugs in Abhängigkeit
von dem vorhergesagten Motor-Leistungsbeitrags; dadurch gekennzeichnet,
daß der
Motor zu dem Zeitpunkt gestartet wird, zu dem die Vorhersage gemacht
wird; und die Betriebsdrehzahl des Motors so schnell erhöht wird,
wie es durch vorherbestimmte Betriebseffizienz-Parameter erlaubt
ist.
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Bevorzugt
umfaßt
es das Verfahren weiterhin, der Motordrehzahl zu erlauben zu einem
vorherbestimmten Spitzenwirkungsgrad anzusteigen, und Überschußleistung
von dem Motor zu einem Generator umzuleiten, welcher eine elektrische
Speicheranordnung lädt,
welche bequemerweise eine oder mehrere Batterien sein können.
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Der
vorherbestimmte Spitzenwirkungsgrad entspricht vorteilhaft dem ausschließlichen
Einsatz des Motors, um der Gesamtheit des vorhergesagten zukünftigen
Leistungsbedarfs des Hybrid-Elektrofahrzeugs
nachzukommen, und das Verfahren umfaßt den weiteren Schritt den
Beitrag des Elektromotors zu der zu dem Hybrid-Elektrofahrzeug gelieferten
Leistung zu senken, so daß von
dem Motor über die
Forderung hinaus keine Überschußleistung
geliefert wird.
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Im
Einklang mit einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Hybrid-Elektrofahrzeug
bereit, das einen Motor, einen Elektromotor, einen Generator und
mindestens einen elektronischen Regler umfaßt, die dazu dienen das oben
ausgeführte
Verfahren zu verwirklichen.
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Früher wurde
in
US 6,176,807 vorgeschlagen,
daß, wenn
ein Fahrzeug anhält,
sein Motor nicht sofort angehalten wird, sondern bei einer den Start erlaubenden
Drehzahl gehalten wird. Auf diese Weise kann der Motor schneller
gestartet werden, sollte nachfolgend eine Beschleunigung gefordert
werden. In dieser Referenz gibt es jedoch keine Lehre die Anfahrbeschleunigung
eines Fahrzeugs zu verbessern, das für eine gewisse Zeit angehalten
wurde.
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In
WO 99/21263 gibt es einen
Vorschlag, daß ein
Fahrer eine Anzeige liefert, daß eine
Notwendigkeit für
einen erheblichen Leistungsschub bevorsteht, und diese Eingabe als
eine Empfehlung an das Regelsystem zum Start des Motors zu verwenden. Das
Regelsystem handelt jedoch nicht notwendigerweise sofort nach dieser
Empfehlung, sondern verwendet diese Empfehlung um die Zeit einzustellen, zu
welcher der Motor gestartet und angehalten werden wird, während zusätzlich der
vorherrschende Ladezustand der Batterien in Betracht gezogen wird.
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Weder
US 6,176,807 noch
WO 99/21263 stellen irgendeine
Lehre bereit, wie der Motor betrieben werden sollte nachdem er einmal
gestartet wurde.
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Die
Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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1 ein
graphischer Vergleich des von einem Parallelhybrid-System erzeugten
Drehmoments mit Systemen ist, die entweder einen Motor oder einen
Elektromotor aufweisen;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Hybrid-Elektrofahrzeugs ist, die beispielhaft
die Lage von Systemkomponenten in dem Fahrzeug zeigt;
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3 ein
Schema ist, das die Architektur eines Hybrid-Elektrofahrzeugs mit
Leistungsaufteilung zeigt;
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4 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Planetengetriebesatzes
ist;
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5 eine
vereinfachte schematische Ansicht einer in 2 gezeigten
Ein-Wege-Kupplung ist;
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6 ein
Schema ist, das Regelbeziehungen zwischen den verschiedenen Systemen
eines Elektro-Hybridfahrzeugs zeigt, wie sie unter Einsatz eines
Regelbereichsnetzwerks koordiniert werden;
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7 ein
Funktionsschema ist, das die Prozesse, Aufgaben und Regelungen der
verschiedenen Systeme eines beispielhaften Hybrid-Elektrofahrzeugs
zeigt;
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8a eine
schematische, horizontale Querschnittsansicht einer verbesserten
Batterie für ein
Hybrid-Elektrofahrzeug ist;
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8b eine
schematische, horizontale Querschnittsansicht einer traditionellen
Batterie ist, die zylinderförmige
Zellen aufweist;
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8c eine
schematische, vertikale Querschnittsansicht eines Batteriekühlungssystems
wie in 8a gezeigt ist;
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9 und 10 schematisch
ein Verfahren veranschaulichen, um in einem Hybrid-Elektrofahrzeug die
vom Fahrer wahrnehmbaren Antriebsstrang-Störungen während des Anfahrens zu minimieren;
und
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11 bis 15 schematisch
ein Verfahren veranschaulichen, um in einem Hybrid-Elektrofahrzeug die
nutzbare Drehmomentabgabe eines Motors spezieller Größe zu maximieren.
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Wie
in 1 und 2 gezeigt weist ein Hybrid-Elektrotransportfahrzeug 10 ein
Antriebsstrang-System auf, das darin allgemein mit Bezugsnummern
aus der 500er-Reihe bezeichnete Bauteile einschließt, um einen
Antrieb bereitzustellen; ebenso wie um ergänzenden Funktionen zu dienen,
welche hierin genauer beschrieben werden.
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Das
Antriebsstrang-System ist überwiegend in
einem nahe dem Fahrgastraum 12 des Fahrzeugs 10 angeordneten
Motorraum 11 positioniert. Ein Batterieabteil oder -gehäuse 14,
ebenfalls nahe dem Fahrgastraum 12 angeordnet, enthält eine
oder mehrere Batterien 410. Wie die Fachleute erkennen
werden, ist die Positionierung sowohl des Motorraums 11 wie
auch des Batteriegehäuses 14 nicht
auf die in 2 ausgeführten Orte beschränkt. Zum
Beispiel können
beide vor oder hinter dem Fahrgastraum 12 positioniert
sein.
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Wie
in 2 gezeigt, umfaßt die Systemarchitektur des
Elektro-Hybridfahrzeugs 10 insgesamt ein Motorsystem 510,
einschließlich
eines Verbrennungsmotors 511 (Benzin, Diesel oder ähnliches),
der mechanisch durch ein Hauptwellensystem 520 mit einem
Hinterachssystem 530 verbunden ist. Das Hinterachssystem 530 ist
weiterhin mit einem Antriebswellensystem 540 verbunden,
das eingesetzt wird um eines oder mehrere Antriebsräder 20 in Drehung
zu versetzen, die das Hybrid-Elektrotransportfahrzeug 10 antreiben.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Verbrennungsmotor 511 durch ein Motor-Regelmodul
(ECM, Engine Control Module; Motor-Regelmodul) oder eine Einheit 220 geregelt,
welche in der Lage ist im Rahmen möglicher Parameter den Luftstrom
zu, den Kraftstoffstrom zu, und/oder die Zündung an dem Motor 511 einzustellen.
Der Motor 511 ist über
eine Hauptwelle 522 mechanisch mit dem Hinterachssystem 530 verbunden. Ein
Planetengetriebesatz 535 schafft die Verbindung zwischen
dem Motor 511 (über
die Hauptwelle 522), einem Generator 532 und dem
Antriebswellensystem 540 (über das Hinterachssystem 530).
Außerdem
ist ein Elektromotor 531 mit dem Antriebswellensystem 540 verbunden;
möglicherweise
ebenso über
das Hinterachssystem 530.
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In
einer Ausführungsform,
welche mindestens in den 3 und 5 veranschaulicht
ist, ist eine Ein-Wege-Kupplung 521 mit der Hauptwelle 522 eingriffsfähig, welche
wiederum mit dem Motor 511 und dem Planetengetriebesatz 535 verbunden
ist. Die Funktion der Ein-Wege-Kupplung 521 ist
es, den Motor darauf zu begrenzen lediglich eine Leistungs/Drehmomenteingabe
zudem Planetengetriebesatz 535 darzustellen, und dies nur
mit einer Drehrichtung. Folglich hindert die Ein-Wege-Kupplung 521 Leistung
oder Drehmoment daran von dem Planetengetriebesatz 535 zurück zu dem
Motor 511 übertragen
zu werden.
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In
einem anderen Aspekt, und wie in 4 gezeigt,
umfaßt
der Planetengetriebesatz 535 eine Mehrzahl von konzentrisch
positionierten Planetenrädern 539,
die mechanisch zwischen einem Umfangsbereich eines mittig angeordneten,
zentralen Ritzels 538 und einer Innenfläche eines Hohlrads 537 angreifen.
Die einzelnen Zahnräder,
welche die Mehrzahl oder den Satz von Planetenrädern 539 ausmachen,
sind durch einen Planetenträger 536 in Positionen
realtiv zueinander fixiert.
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Der
Generator 532 ist mechanisch mit dem zentralen Ritzel 538 verbunden,
und ist konfiguriert um Drehenergie und Drehmoment zu und von dem Planetengetriebesatz 535 zu
fördern.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Generator 532 in der Lage verriegelt zu werden,
um eine Drehung des zentralen Ritzels 538 durch eine Generatorbremse oder
Verriegelungsvorrichtung 533 zu verhindern. Wie durch die
vorliegende Erfindung weiter betrachtet, ist der Motor 531 mechanisch
mit dem Hohlrad 537 verbunden und konfiguriert, um Drehenergie
und Drehmoment zu und von dem Planetengetriebesatz 535 zu
fördern.
In einer bevorzugten Ausführungsform,
und wie schematisch in 3 gezeigt, ist das Antriebswellensystem 540 über etwas,
das eine herkömmlich
konfigurierte Getriebe/Differentialanordnung 542 sein kann,
mit dem Motor 531 eingriffsfähig und endet effektiv an dem
Antriebsrad 20.
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Auf
Grundlage der oben offenbarten Systemarchitektur beginnt die Implementierung
einer Energiemanagement-Strategie – was ein Fokus des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 ist – auf einem
hohen Niveau innerhalb einer Fahrzeug-Regeleinheit oder eines Fahrzeugsystem-Reglers
(VCU, Vehicle Control Unit; Fahrzeug-Regeleinheit) 100,
wie schematisch in 6 und 7 gezeigt.
Der Fahrzeugsystem-Regler 100 ist mit Regelstrategien für das Antriebsstrangsystem
und Batteriesystem programmiert, wie auch mit anderen. Der Fahrzeugsystem-Regler 100 ist
dafür verantwortlich
Fahrereingaben zu interpretieren, die Komponentenregler zu koordinieren
und Betriebszustände
des Fahrzeugsystems zu bestimmen. Die VCU 100 erzeugt auf
Grundlage definierter Funktionen von Fahrzeugsystem-Regler 100 außerdem Befehle
zu geeigneten Komponenten-Untersystemen, und sendet diese Befehle
zu den Komponentenreglern, welche darauf basierend geeignete Maßnahmen
ergreifen. Der Fahrzeugsystem-Regler 100 wirkt außerdem als
Referenzsignal-Generator für
die Untersystem-Regler. Der Fahrzeugsystem-Regler 100 kann die Form eines
einzigen integrierten Mikroprozessors annehmen oder mehrere Mikroprozessoren
umfassen, die geeignet miteinander verbunden und koordiniert sind.
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Eine
Hauptfunktion des Fahrzeugsystem-Reglers 100 ist es, Fahrzeugmodus-Prozesse und
-Aufgaben (auch als die sequenziellen Regelprozesse bekannt) auszuführen, ebenso
wie Drehmomentbestimmungen vorzunehmen, Referenzwerte zu setzen
und Energiemanagement-Prozesse
zu verrichten. Bestimmte Systeme des Fahrzeugs 10 werden
durch eine Fahrzeugmanagement-Einheit (VM, Vehicle Management; Fahrzeugmanagement) oder
einen Regler 105 gemanagt oder überwacht, welcher sequenzielle
Regelprozesse ausführt;
unter anderen einschließlich
jenen die Position des Fahrzeugschlüssels und die Position des
Gangwählers
sicherzustellen. Es ist dieses Niveau, auf dem bestimmte Eingaben
des Fahrers und Zustände
des Fahrzeugs für
den Einsatz als Befehlseingaben für Untersystem-Regler verbunden
werden.
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Auf
dem niedrigeren Niveau der VCU 100 sind in 7 drei
Unterkomponenten-Regler veranschaulicht. Der erste ist ein Hochspannungs-Gleichstromregler
(HVDC, High Voltage Direct Current; Hochspannungs-Gleichstrom) 115;
der zweite ist eine Batteriemanagement-Einheit oder ein Regler 110 (BMU,
Battery Management Unit; Batteriemanagement-Einheit); und der dritte
ist ein Antriebsstrang-Regler 120 (DTC, Drive Train Controller;
Antriebsstrang-Regler).
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Wie
oben angedeutet werden an der Fahrzeugmanagement-Einheit 105 bestimmte
Eingaben und Prozesse vom Fahrer und aus den Fahrzeugsystemen entnommen.
Umgekehrt werden bestimmte für
den Fahrer relevante Ausgaben von der VCU 100 oder der
VM 105 übermittelt
und an der Armaturenbrett-Anzeigeeinheit 107 angezeigt.
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Der
HVDC 115 ist dafür
verantwortlich den Betrieb der Hochspannungskomponenten zu koordinieren.
Die Positionierung dieses Reglers ist schematisch in 6 gezeigt.
Der HVDC enthält
Schaltschütze
oder Unterbrecher, welche normalerweise in einer offenen Konfiguration
positioniert sind, die verhindert daß darüber Elektrizität fließt. Wenn
sie jedoch aufgerufen werden um Aktion zu ergreifen und die Batterie 410 angreifen,
zum Beispiel wenn der Start des Motors 511 erforderlich
ist, so schließen diese
Schaltschütze
und vervollständigen
einen geeigneten Schaltkreis.
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Wie
in 6 gezeigt dient der HVDC als eine Abschirmung
oder ein Puffer zwischen der Hochspannungsbatterie 410 und
den Wandlern 534, wie auch zu anderen mit der elektrischen
Leistung der Batterie 410 betriebenen Hilfslasten. Ein
Beispiel einer derartigen Hochspannungs-Hilfslast kann ein elektrisch
betriebenes Klimakompressor-System einschließen. Um als ein solcher Puffer
zu wirken muß die
Hochspannungsausgabe von der Batterie 410 an dem Wandler 534 und/oder
den Hilfslasten relativ langsam auf Betriebsniveau „gefahren" werden. Um dieses „hochfahren" der Spannung hinzunehmen werden
anfänglich
Schaltschütze
mit relativ geringer Kapazität
geschlossen, welche Spannung von der Batterie dazu bringen über eine
Widerstandsschaltung (eine puffernde Widerstände enthaltende Schaltung)
zu einem Kondensator entweder in dem Wandler 534 oder der
geeigneten Hilfslast überzutreten.
Ist einmal eine geeignete Vorladung in dem Kondensator aufgebaut,
so werden dann die Haupt-Schaltschütze geschlossen, welche die
Hochspannungsschaltung zwischen den Batterien 410 und dem
Kondensator vervollständigen,
der innerhalb der empfangenen Komponente enthalten ist, welche beispielhaft durch
den/die DC/AC-Wandler 534 oder eine Hilfslast gezeigt werden
kann, wie hierin oben angedeutet etwa ein elektrisches Klimasystem.
In dieser At und Weise wird eine potenziell schädliche hohe Spannung daran
gehindert zu schnell in die empfangenden Komponenten eingebracht
zu werden.
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Der
HVDC 115 führt
außerdem
bestimmte Diagnosefunktionen hinsichtlich der Komponenten des HVDC
aus, wie etwa der Schaltschütze
innerhalb des HVDC 115 selbst, und möglicherweise auch der verschiedenen
durch den HVDC verbundenen Systeme; wie etwa der Batterie 410,
der Wandler 534, oder eines elektrisch betriebenen Klimakompressors,
welcher in den Abbildungen nicht veranschaulicht wurde. Unter anderen
Parametern können
diese Diagnosefunktionen auf Grundlage von Messungen von Spannung
und/oder Strom verrichtet werden.
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Der
HVDC 115 stellt außerdem
eine Verbindung zu einem externen Ladeanschluß bereit, siehe 6,
und erlaubt es dadurch der Batterie 410, für die Aufladung
aus einer externen Stromquelle „eingesteckt" zu werden.
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Der
Batteriemanagement-Regler (BMU) 110 handhabt Regelaufgaben
hinsichtlich des Batteriesystems 410. Unter anderen Charakteristika
kann der BMU 110 Ladungsniveaus (SOC, State of Charge;
Ladungsniveau) sowie Spannungs- und Stromparameter abschätzen und
messen. Er kann außerdem
maximale und minimale Spannungs- und Strompegel hinsichtlich der
Batterie 410 abtasten/bestimmen und beibehalten. Auf Grundlage
dieser Bestimmungen oder abgetasteten Quantitäten/Qualitäten kann VM 105 – über solche
Regelmodule wie den DTC 120 – bestimmte Tätigkeiten
lenken, um Änderungen
im SOC der Batterie 410 zu bewirken. Andere Charakteristika,
welche überwacht
werden können, schließen die
Betriebstemperatur(en) der Batterie 410 und Spannungen
an den einzelnen Batteriezellen 412 ein. Ähnlich kann
auch der Druck innerhalb der Zellen 412 überwacht
werden. Fehler können
detektiert und berichtet werden, zumindest zurück zu der VCU; es besteht aber
auch die Möglichkeit,
daß die
Information über
die Armaturenbrett-Anzeigeeinheit 107 an den Bediener weitergegeben
wird.
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Der
DTC 120 nimmt die Modusauswahl vor, unter welcher die verschiedenen
antreibenden Komponenten zusammenarbeiten werden. Dies schließt Wahlmöglichkeiten
zwischen Parallel- und
Aufteilungsmodi ein, ebenso wie zwischen positiven und negativen
Aufteilungsmodi. Die Betriebspunkte für die verschiedenen Komponenten
des Antriebsstrangs werden ebenfalls durch den DTC 120 spezifiziert.
Noch weiter werden von dem DTC 120 Referenzwerte für mehrere
Untersysteme bereitgestellt, einschließlich Hinterachsmanagement-Regelmodul oder
-einheit (TMU, Transaxle Management Unit; Hinterachsmangement-Einheit) 230 und
Motorregelmodul oder -einheit (ECM) 220. Unter den möglichen, von
dem DTC 120 geschaffenen Einstellungen ist der Batterielade/entlademodus
eine Möglichkeit,
ebenso wie zu spezifizieren ob der Generator 532 und/oder Elektromotor 531 in
der Antriebseigenschaft als Motor oder der Stromerzeugungseigenschaft
als ein Generator benutzt werden sollte. Drehmomentreferenzen für den Generator
und Motor werden auch von der TMU 230 ausgegeben.
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Als
eine Unterkomponente unter der TMU 230 handhabt die Hinterachs-Regeleinheit
TCU 232 die Hinterachse 530 hinsichtlich des Drehmomentausgleichs,
wenn der Motor 511 gestartet und angehalten wird. Die TCU 232 verwendet
und regelt zwei geführte
Prozessoren, die als eine Generator-Regeleinheit GCU (Generator
Control Unit; Generator-Regeleinheit) 236 und eine Motor-Regeleinheit
MCU (Motor Control Unit; Motor-Regeleinheit) 234 charakterisiert
sind. Die GCU 236 handhabt die Strom- und Drehmomentregelung
des Generators 532; typischerweise über den Wandler 534.
Die GCU 236 empfängt
ihre Drehmoment- und Drehzahl-Referenzinformationen von der TCU 232 und
ihrem unmittelbaren Regler. Die TCU 232 empfängt eine
Gesamtdrehmoment-Referenz für
die Hinterachse 530 und den Drehzahl-Referenzwert für den Motor 511, zusammen
mit Modus-Referenzinformationen hinsichtlich der Zusammenarbeit
zwischen dem Motor 511 und Generator 532; wie
etwa ob parallele, positiv aufgeteilte oder negativ aufgeteilte
Moduskonfigurationen angenommen werden. Die TCU 232 erzeugt
die Drehmoment-Referenzparameter für den Generator 532 und
Motor 531, welche jeder unter der Regelung jeweils der
GCU 236 und MCU 234 implementiert werden. Die
spezifizierten Drehmomenteinstellungen werden durch Regelung des
zu den jeweiligen Generator/Motor-Reglern 236, 234 gelieferten
Stroms erzielt.
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Auf
Grundlage einer Karte von Kurven des optimalen Motordrehmoments
gegen die Drehzahl werden Motordrehzahl und Drehmoment von dem DTC 120 so
ausgewählt,
daß das
Motorsystem 510 die gewünschte
Motorleistung liefern und gleichzeitig auf einer der optimierten
Wirkungsgradkurven des Motors liegen kann. Bestimmt der DTC 120,
daß die Drehzahl
des Motors 511 für
effizienten Betrieb zu niedrig ist, so wird der Motor 511 von
der Motor-Regeleinheit 220 ausgeschaltet (oder ausgelassen). Bestimmt
das Antriebsstrang-Regelmodul 120 (auf Grundlage
von SOC- und Generatorbeschränkungen),
daß die
Drehzahl des Motors 511 zu hoch ist um von dem Generator 532 geregelt
zu werden, so wird der Motor 511 von dem ECM 220 auf
eine verlangsamte Betriebsdrehzahl eingestellt.
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Sind
die Drehzahl, das Drehmoment und die Leistung des Motors 511 einmal
von dem Fahrzeug-Systemregler 100 bestimmt, speziell an
dem DTC 120 des Reglers 100, so bestimmt der DTC 120 dann
weiterhin die benötigte
Drehzahl und das Drehmoment des Generators 532, um den
Motor 511 zu regeln. Der DTC 120 bestimmt unter
Verwendung dieser Informationen dann die benötigte Drehzahl und das Drehmoment
des Motors 531 um, wenn vorhanden, dem Unterschied zwischen
der Leistungs(Drehmoment)-Forderung des Fahrers und der Motorleistung
(dem Drehmoment) nachzukommen.
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Eine
Drehmomentbestimmung und -überwachung
wird auch an der VCU 100 ausgeführt. Diese Funktion stellt
weiterhin sicher, daß zu
dem Rad/den Rädern 20 geliefertes
Drehmoment im Wesentlichen gleich dem vom Fahrer geforderten Drehmoment (der
Beschleunigung) ist. Die VCU 100 überwacht und regelt außerdem das
Drehmoment von dem Motor 511 und Hinterachssystem 530,
indem sie ein abgetastetes Drehmoment gegen das von dem Fahrer geforderte
Drehmoment vergleicht. Das Drehmomentmanagement durch die VCU 100 interpretiert Fahrereingaben
und Drehzahlregelungs-Forderungen, um regeneratives Bremsmoment
und gewünschtes
Hauptwellendrehmoment zu bestimmen.
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Von
der VCU 100 werden Befehle und Referenzen über ein
Regelbereichs-Netzwerk (CAN; Control Area Network; Regelbereichs-Netzwerk) 300 zu mehreren
Komponentenreglern verteilt, auf die hierin allgemein unter Verwendung
von Bezugsnummern in der 200er-Serie Bezug genommen wird.
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Wie
oben angedeutet schließen
diese Regler das ECM 220 und die TMU 230 ein,
die zusammen das Antriebsstrang-System regeln, um effizientes Energiemanagement,
Drehmomentaufteilung und die Bestimmung von Betriebspunkten von
Motor 511 zu erreichen, und um über Starts/Stops von Motor 511 zu
entscheiden und um sie zu koordinieren. Befehle und Referenzen von
der VCU 100 zu einem regenerativen Reihen-Bremsregler bestimmen
Einschränkungen
des regenerativen Drehmoments, das gewünschte regenerative Drehmoment
und Nulldrehzahl-Regelung
des Fahrzeugs.
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Abschließend ist
die VCU 100 konfiguriert um eine begrenzte Betriebsregelung über das
Antriebsstrang-System bereitzustellen, um es dem Hybridmotor-Fahrzeug 10 zu
erlauben sich nach Hause zu „schleppen", sollten einzelne
Systemkomponenten einsatzunfähig
werden, etwa wenn der Motor 531 deaktiviert wird.
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Das
hierin beschriebene Hybridfahrzeug beinhaltet zusätzlich zu
der in den angefügten
Ansprüchen
beanspruchten Erfindung mehrere neue Merkmale. Wie in 8a gezeigt
ist ein kompaktes Batteriesystem 400 aus einer Anzahl länglicher
Batteriezellen 412 aufgebaut, wobei jede Zelle 412 eine Längsachse
und in einer zu der Längsachse
im Wesentlichen senkrecht orientierten Ebene eine sechseckige Querschnittsform
aufweist, und in einer Bienenwaben-Konfiguration mit einander gegenüberliegenden
Flächen
von benachbarten Zellen 142 angordnet ist, die Fläche an Fläche nahe
beeinander angeordnet sind. Einer oder mehrere sechseckige Kühlkanäle 442 sind
an einer/mehreren Innenposition(en) unter der Mehrzahl von Batteriezellen 412 angeordnet.
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Ein
thermisch strahlender Deckel 443 steht in Fluidverbindung
mit einem oder mehreren der Kühlkanäle 442,
welche mit einem Kühlmittel 445 gefüllt sind,
das zwischen dem Deckel 443 und den Kanälen 442 zirkuliert,
um die Batteriezellen 412 zu kühlen.
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Um
die Kühlung
weiter zu fördern
weist der strahlende Deckel 443 eine Mehrzahl rippenartiger Bauteile 44 auf,
die sich von einer nach außen
gewandten Fläche
davon erstrecken, um die thermische Abgabe von Wärme von dem Deckel 443 an entlang
der Rippen 444 zirkulierende Luft zu verbessern. Dieser
Typ Batterie ist kompakter als die in 8b gezeigte
bisherige Technik.
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Im
Einklang mit dieser Erfindung ist das Fahrzeug 10 angeordnet,
um ein Verfahren zur Maximierung des Beitrages des Motors 511 zu
der Leistung des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 während Anfahr-Betriebsbedingungen
zu nutzen.
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Normalerweise
wird eine Kraftstoffeinspritzung zu und eine Zündung an dem Motor 511 nur dann
aufgenommen, wenn der Motor 511 bei einer die Resonanzdrehzahl
des Antriebsstrangs überschreitenden
Drehzahl arbeitet, um eine Ruppigkeit des Motorstarts zu vermindern;
derartige Resonanzdrehzahlen des Antriebsstrangs werden zumindest zum
Teil von Getrieberütteln,
-weichheit und ähnlichem
diktiert.
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Während hohen
Beschleunigungsforderungen des Fahrers wird die Zündung und
die Einspritzung von Kraftstoff jedoch wünschenswert so früh wie möglich gestartet,
um Abgabeleistung und Beschleunigung zu maximieren.
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Die
Erfindung ergänzt
diesen typischen Betrieb und schließt es ein die Anfahrbeschleunigung des
Fahrzeugs 10 unter ausschließlicher Verwendung des Motors 531 einzuleiten,
die zukünftige
Forderung nach dem Leistungsbeitrag eines Motors 511 zu
dem unmittelbaren zukünftigen
Leistungsbedarf des Fahrzeugs 10 während einer Anfahrbeschleunigung vorherzusagen,
und den Motor 511 zu der Zeit zu starten, zu der die Bestimmung
des zukünftigen Bedarfs
für den
Leistungsbeitrag des Motors 511 während der Anfahrbeschleunigung
vorgenommen wird.
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Das
vollständige
Anfahr-Regelverfahren oder der Prozeß schließt es weiterhin ein die Vorhersage
des zukünftigen
Bedarfs bei der Einleitung der Anfahrbeschleunigung vorzunehmen
und/oder die Betriebsdrehzahl des Motors 511 zu erhöhen, so schnell
es vorherbestimmte Betriebseffizienz-Parameter erlauben.
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Das
vollständige
Anfahrverfahren, welches die Drehzahl von Motor 511 erhöht, so schnell
es vorherbestimmte Betriebseffizienz-Parameter erlauben, kann außerdem einen
Schritt einschließen
die Erhöhung
der Betriebsdrehzahl von Motor 511 zu einem vorherbestimmten
Spitzenwirkungsgrad fortzuschreiten, was es dem exklusiven Einsatz
des Motors 511 erlaubt die Gesamtheit des zukünftigen
Leistungsbedarfs des Fahrzeugs 10 zu erfüllen und
den Beitrag des Elektromotors 531 zu der zu dem Fahrzeug
gelieferten Leistung 10 zu senken, so daß über den
Bedarf hinaus von dem Motor 511 keine überschüssige Leistung geliefert wird.
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Das
Fahrzeug 10 wird außerdem
mit einem Prozeß oder
Verfahren bereitgestellt, einen Katalysator 702 eines Emissionssystems 700 in
einem Hybrid-Elektroantriebssystem in einem arbeitsfähigen Zustand
zu halten. Das Verfahren tastet ab, daß der Motor 511 zu
arbeiten aufgehört
hat und sagt dann eine Zeitdauer vorher, nach welcher der Katalysator 702 unter
eine Temperatur abkühlen
wird, bei welcher der Katalysator ineffizient wird – bekannt
als eine Zündtemperatur.
Der Motor 511 wird erneut gestartet wenn die Zeitdauer
verstrichen oder abgelaufen ist, um dadurch den Katalysator 702 bei
Temperaturen oberhalb der Zündtemperatur
zu halten, ungeachtet dessen ob zu dieser Zeit Leistung von dem Motor 511 benötigt wird
oder nicht.
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Von
dem Fahrzeug 10 wird auch ein Verfahren zur Minimierung
der vom Fahrer wahrnehmbaren Antriebsstrang-Störungen während des Anfahrens in einem
Hybrid-Elektrofahrzeug 10 benutzt,
wenn oft maximierte Leistung gewünscht
ist.
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Die
Konzepte dieses Verfahrens sind in 9 und 10 veranschaulicht.
Das Verfahren schließt
es ein einen tatsächlichen
Ladezustandswert (SOC) der Batterie 410 in einem Hybrid-Elektrofahrzeug 10 und
die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 während Anfahrbetrieb abzutasten.
Der abgetastete, tatsächliche
SOC-Wert wird mit einem SOC-Referenzwert verglichen und es wird
ein SOC-Unterschiedswert als Differenz dazwischen berechnet. Ein der
Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 entsprechender, geschwindigkeitsbasierter
SOC-Kalibrierfaktor wird
aus einer in dem Regelsystem aufbewahrten Nachschlagetabelle erhalten.
Eine Kombination des SOC-Unterschiedswertes und des SOC-Kalibrierfaktors
wird als eine SOC-Rückmeldungs-Motordrehzahl-Anweisung
zu der Motor-Regeleinheit (ECM) 220 des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 eingesetzt.
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Das
Verfahren setzt außerdem
ein Verfahren zur Optimierung der Betriebseffizienz eines Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 ein.
Das Verfahren schließt es
ein, einen Motors 511 eines Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 vorzugsweise
auf einer optimierten Leistungskurve des Motors 511 zu
betreiben, um die Effizienz des Motors 511 zu maximieren.
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Eine
Ladezustands-Bedingung (SOC) einer Batterie 410 des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 wird
abgetastet und macht einen bevorzugten Wert aus, der dafür bezeichnend
ist daß keine
zusätzliche
Ladung erwünscht
ist. Bei Reisegeschwindigkeit ist die Leistungsabgabe des Motors
im Parallelmodus entlang der optimierten Leistungskurve des Motors 511 zu hoch,
besonders mit Blick auf die durch Beschleunigungserfordernisse eingestellten Übersetzungsverhältnisse.
Statt einen negativen Aufteilungsmodus zu benutzen und die dieser
Konfiguration eigenen Verluste zu erleiden, wird das Betriebsdrehmoment
des Motors 511 im Parallelmodus auf ein Niveau unterhalb
der optimierten Drehmomentkurve bis zu einem Punkt abgesenkt, daß die von
dem Motor 511 erzeugte Leistung im Wesentlichen gleich
der zum Antrieb des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 geforderten Leistung
ist.
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Die
Senkung im Motordrehmoment wird durch Anpassung des Luftstoms zu,
des Kraftstoffstroms zu, und/oder der Zündparameter für den Motor
beeinflußt.
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Der
Antriebsstrang des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 wird somit
von einem Modus mit negativer Leistungsaufteilung, in welchem Motorleistung
durch eine Planetengetriebe-Anordnung 535 zwischen den Antriebsrädern 20 und
dem Generator 532 aufgeteilt wird, auf einen Parallelmodus
umkonfiguriert, in welchem der Generator 532 verriegelt
ist und die gesamte Motorleistung durch die Planetengetriebe-Anordnung 535 an
die Antriebsräder 20 des
Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 abgegeben
wird. Dieser Parellelmodus – aber
mit verringertem und nicht optimiertem Motorbetrieb – wird benutzt
wenn die Effizienz in diesem Modus höher ist als bei Verwendung
des negativen Aufteilungsmodus für
die gleiche Drehmomentabgabe.
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Als
ein Ziel wird die im Modus mit negativer Leistungsaufteilung verbrachte
Zeit minimiert, und die im Parallelmodus verbrachte Zeit wird maximiert. Der
Einsatz des Generators, um den Motor 511 auf eine abgesenkte
Betriebsdrehzahl zu bringen, wird unter Verwendung dieses Prozesses
vermieden, und dadurch werden sequenzielle Lade- und Entladezyklen
durch die Antriebsstrang-Komponenten des Hybridfahrzeugs vermieden.
Energieverluste in dem Antriebsstrang des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 werden daher
gesenkt, indem man die Ladung und Entladung des Batteriesystems 400 des
Hybrid-Elektrofahrzeugs vermeidet. Die Kühlungserfordernisse für die Batterie 410 des
Hybrid-Elektrofahrzeugs 410 werden ebenfalls reduziert,
weil Batterieverluste gesenkt werden.
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Das
Verfahren setzt außerdem
ein Verfahren ein, um abgetastete Betriebsdrehmomente des Motors 511 und
des Generators 532 in einem Hybrid-Elektrofahrzeug 10 auf
Basis eines Planetengetriebes zu kalibrieren und zu synchronisieren.
Das Verfahren schließt
die Bereitstellung eines Sensors ein, der das Betriebsdrehmoment
des Motors 511 an der Motorschnittstelle mit dem Planetengetriebesystem 535,
dem Hybrid-Antriebsstrang mit Leistungsaufteilung des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10,
detektiert. Es wird ein Sensor bereitgestellt der das Betriebsdrehmoment
des Generators 532 an seiner Schnittstelle mit dem Planetengetriebesystem 535 des
Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 detektiert. Das Planetengetriebesystem 535 des
Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 wird in dem Aufteilungsmodus
so betrieben, daß der
Generator 532 direkt mit dem Motor 511 verbunden
ist, und ein Meßwert
des Sensors, der das Betriebsdrehmoment des Generators 532 detektiert, kann
außerdem
benutzt werden um das Betriebsdrehmoment des Motors 511 zu
berechnen. Paarweise Werte abgetastete Betriebsdrehzahlen des Motors 511 und
des Generators 532 werden zu vergleichbaren Zeiten aufgezeichnet.
Jedes Paar von aufgezeichneten Werten wird arithmetisch verarbeitet
und es wird ein Kalibrierwert dazwischen berechnent. Die Abtastung
und Aufzeichnung paarweiser Werte an den gleichen abgetasteten Generator-
und Motorbetriebspunkten wird wiederholt und dadurch die Berechnung
errechneter Durchschnitts-Kalibrierwerte bei jeder der speziell
abgetasteten Generator- und Motordrehzahlen möglich, die für den nachfolgenden Einsatz
in der zukünftigen
Berechnung korrelierender Motordrehmomente geeignet sind. Der Motor 511 und
der Generator 532 werden unter Einsatz des Durchschnitts-Kalibrierwertes
in zukünftigen
Fällen eines Übergangs
zwischen dem Modus mit Leistungsaufteilung und den Parallelmodus
des Plantengetriebesystems 535 eingesetzt, so daß das Motordrehmoment
zu dem Zeitpunkt einer direkten Verbindung über die Planetengetriebe-Anordnung
hinweg (d. h. wenn eine Verriegelung des Generators verwirklicht
wird) im Wesentlichen zu dem Generatordrehmoment paßt, um dadurch
vom Fahrer wahrnehmbare Unregelmäßigkeiten
oder Ruppigkeiten in der Leistung des Antriebsstrangs des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 zu
vermeiden.
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Die
Vorhersagbarkeit der Beziehung zwischen dem Motor 511 und
dem Generator 532 in dem Parallelmodus basiert auf Übersetzungsverhältnissen,
die im Wesentlichen unverändert
bleiben.
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Zur
gleichen Zeit gemessene Werte sich ergänzender Betriebsparameter des
Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 können auch
für jedes
aufgezeichnete Paar abgetasteter Betriebsdrehmomente des Motors 511 und
des Generators 532 aufgezeichnet werden, das in dem Drehmomentanpassungs-Prozeß verwendet
werden wird.
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Um
die Richtigkeit beizubehalten wird dem Durchschnitts-Kalibrierwert
erlaubt durch einen begrenzten Maximalwert hinsichtlich der Zeit
variiert zu werden, so daß abnormale
Störungen
den berechneten Durchschnitts-Kalibrierwert nicht wesentlich beinflussen.
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Die
Auffrischung des berechneten Durchschnitts-Kalibrierwerts für ein bestimmte
abgetastete Generatordrehzahl ist andauernd und fortwährend, und
verbessert dadurch fortlaufend die Qualität des Durchschnitts-Kalibrierwertes
für diese
bestimmte abgetastete Generatordrehzahl.
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Die
zu vermeidenden Unregelmäßgikeiten sind
als ruckartige Bewegungen offenkundig, die in dem Hybrid-Elektrofahrzeug 10 durch
das Planetengetriebesystem 535 induziert werden. Eine Anpassung
des berechneten Durchschnitts-Kalibrierwerts auf ein individuelles
Fahrzeug wird über
die Erfindung in der gegenwärtig
offenbarten Ausführungsform
ermöglicht,
weil Historien aufgenommen, erhalten und in dem Anpassungsprozeß berücksichtigt werden.
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Das
Fahrzeug setzt außerdem
ein Verfahren zur Maximierung der einsetzbaren Drehmoment-Abgabekapazität des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 ein.
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Das
Verfahren schließt
die Regelung des Betriebs des Motors 511 des Hybrid-Elektrofahrzeugs 10 unter
Verwendung des Generators 532 ein, wobei der Motor 511 und
der Generator 532 durch das Planetengetriebesystem 535 verbunden
sind. Der Generator 532 besitzt ungefähr die gleiche Drehmoment-Abgabekapazität wie der
Motor 511, wenn die verbindenden Übersetzungsverhältnisse
berücksichtigt
werden.
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ein
Motorregler 220 wird eingesetzt um den Betrieb des Motors 511 zu
managen, und es dem Motor 511 dadurch zu erlauben bei einem
Drehmoment-Abgabeniveau betrieben zu werden, das im Wesentlichen
gleich der maximalen Drehmomentabgabe des Generators 532 ist – ohne eine
bedeutende Sicherheit an Überschuß-Regelkapazität des Generators 532 gegenüber dem
Motor 511. Es wird eine Überlastbedingung detektiert,
in welcher die Drehmomentabgabe des Motors 511 die maximale
Drehmomentabgabe des Generators 532 übersteigt. In Reaktion wird
der Motor 511 auf eine Drehmomentabgabe geregelt, die niedriger
ist als die maximale Drehmomentabgabe des Generators 532.
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Das
Verfahren fährt
mit erneuter Prüfung
auf eine Fortsetzung der Motor-Überlastbedingung
fort und schaltet den Motor 511 ab, wenn die Regelhandlungen
nicht ausreichend sind und eine fortgesetzte Überlastbedingung detektiert
wird. Auf diese Weise wird ein Überdrehen
von Generator und Motor vermieden.
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Durch
diesen Prozeß wird
die in Summe einsetzbare Kapazität
der Leistungseinheit des Hybrid-Elektrofahrzeugs
optimiert, indem man den Motor 511 dazu befähigt im
Wesentlichen bei maximaler Kapazität zu laufen, wo aus ihm das
höchste
Drehmoment erzeugt wird.
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Das
verfügbare
Anfahrdrehmoment in dem Hybrid-Elektrofahrzeug 10 wird
optimiert, indem man den Motor 511 im Wesentlichen bei
maximaler Drehmomentkapazität
betreibt; zusammen mit einem mit Blick auf relative Drehmomentkapazitäten in der
Größe entsprechend
gewählten,
aber nicht überdimensionierten
Generator 532. Die Drehmomentabgabe des Motors 511 und
des Generators 532 wird auf Grundlage der detektierten
Arbeitsdrehzahlen jeweils des Motors 511 und des Generators 532 berechnet. Ein
Drehzahlfehler kann unter Einsatz von einem oder zwei Sensoren berechnet
werden.
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In
einer Zusatzausführung
dieses allgemeinen Regelkozepts wird ein Befehl ausgegeben die Drehmomentabgabe
des Generators 532 auf Detektion einer Überlastbedingung für Motor 511 reagierend
zu erhöhen.
Eine Prüfung
auf Fortsetzung der Motorüberlastbedingung
wird wiederholt. Dann kann erneut eine fortgesetzte Überlastbedingung
detektiert werden, in welcher die Drehmomentabgabe des Motors 511 fortfährt die
Drehmomentabgabe des Generators 532 zu übersteigen, und es wird ein
Zusatzbefehl ausgegeben um erneut die Drehmomentabgabe des Generators 532 zu
erhöhen.
Erneut wird die Prüfung
auf eine Fortsetzung der Motorüberlastbedingung
wiederholt. Letztlich wird das Motordrehmoment zurück auf eine
Drehmomentabgabe gesenkt, die niedriger ist als die Drehmomentabgabe
des Generators 532, wenn eine vorherbestimmte Anzahl wiederholter
Prüfungen
jede eine Überlastbedingung detektieren,
in welcher die Drehmomentabgabe des Motors 511 die Drehmomentabgabe
des Generators 532 übersteigt.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
dieses gleichen Grundkonzepts schließt es das Verfahren ein, eine Überlastbedingung
zu detektieren, in welcher die Drehmomentabgabe des Motors 511 die maximale
Drehmomentabgabe des Generators 532 übersteigt; der Motor 511 wird
in Reaktion auf eine maximale Drehmomentabgabe geregelt, die auf
einen niedrigeren Wert gesetzt ist als die maximale Drehmomentabgabe
des Generators 532.
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Mit
größerer Spezifizität auf die
Zeichnungen veranschaulichen die 11 und 12 nun
vergleichend das Regelverfahren, welches die Beseitigung eines „Puffers" von dreißg Prozent
(30%) möglich
macht, der herkömmlich
zwischen den Drehmomentkapazitäten
des Motors 511 und des Generators 532 bereitgestellt
wurde; die Notwendigkeit dieses Puffers resultiert im Gebrauch von
Generatoren 532 die bedeutend größer sind, oder von Motoren 511 die bedeutend
kleiner sind als es sonst optimal wäre, weil dreißg Prozent
einer ihrer Kapazitäten
geopfert werden muß,
um die Puffergrenze zur Regelung – nur für den Fall daß sie gebraucht
wird – beizubehalten.
Indem man ansonsten den Motor 511 so regelt, daß sichergestellt
werden kann daß die
Kapazität
der Drehmomentkapazität
des Generators 532 nicht überschritten werden wird, können die
ungefähr
dreißig
Prozent an verlorener Kapazität
ausgebeutet werden. Graphisch ist dies in 12 gezeigt,
wo die auf der X-Achse aufgetragene Drehzahl (ω) auf der rechten Seite des
Graphen abgestimmt ist, wo das maximale Drehmoment des Generators
(Tgen_max) gleich dem Drehmonent des Motors 511 ist, wenn
die das Übersetzungsverhältnis darstellende
Konstante (K) berücksichtigt
wird (Teng/K).
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Der
Anstieg in der nutzbaren Drehzahl, und in der Folge der nutzbaren
Leistung (P = T ω),
sowohl von dem Motor 511 wie auch dem Generator 532 wird durch
die Entfernung dargestellt, um die man sich entlang der X-Achse
von der gepufferten Position (KΔωeng_max)
nach rechts zu der „virtualisierten" Position (KΔωeng_max_virt)
bewegt hat, wobei der Puffer wegen der ausgeübten Regelstrategie virtuell, nicht
aber real ist.
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Jetzt
auf die 13–15 Bezug
nehmend, berechnet die VCU 100 einen Motor-Referenzwert (weng_ref)
und die TMU 230 empfängt
diesen Wert; und zusammen mit einer abgetasteten Drehzahl des Motors
(ωmotor)
wird unter Berücksichtigung
der Übersetzungsverhältnis-Folgen
eine Generator-Referenzdrehzahl (ωgen_ref) berechnet und zum
Vergleich durch Summenbildung mit der tatsächlichen Generatordrehzahl
(ωgen)
weitergegeben. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird dann durch einen
Proportional- und Integralregler (PI) verarbeitet, um – neben
anderen Dingen – den
Fehlerwert zu verstärken
ind Fehlermuster zu „erlernen", die sich auf Grundlage
historischer Werte über
gewisse Zeitdauern fortsetzen. Der Lernprozeß wird durch das Verrichten
sich wiederholender Berechnungen möglich. Von dem PI-Regler wird
eine Generatordrehmoment-Referenz (Tgen_ref) abgeleitet. Diese Referenz
wird zu Zwecken der Betriebsregelung an den Generatordrehmoment-Regler 236 weitergegeben; d.
h. durch Anpassung des Stroms und durch Anpassung der Spannung,
was unter Verwendung von Pulsweitenmodulierung unter Verwendung
von Transistoren in dem Wandler (siehe 6) erreicht
wird. Die gleiche Referenz (Tgen_ref) wird weiterhin weiterverarbeitet,
indem man davon die maximale Drehmomentkapazität (Tgen_max(ωgen)) des
Generators abzieht. Dann wird die Richtung des Ergebnisses – ob positiv
oder negativ – bestimmt;
falls negativ; wurde die maximale Drehmomentkapazität des Generators
nicht überschritten;
falls positiv, wurde die maximale Drehmomentkapazität des Generators überschritten.
Falls positiv, ist die Kapazität
des Generators überschritten.
Dieser positive Wert wird dann mit der Konstanten K multipliziert,
um den Effekt des Übersetzungsverhältnisses
in Betracht zu ziehen und dadurch ein Modifikationsdrehmoment (Tmodification)
zu berechnen.
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Zu
dem ECM 220 wird von dem VCM 100 eine Motordrehmoment-Referenz
(Teng_ref) geliefert. An dem ECM 220 wird die Motordrehmoment-Referenz
(Teng_ref) mit dem maximalen Drehmoment des Motors (Teng_max) verglichen,
Der kleinere (min) dieser beiden Werte wird durch Vergleich mit
dem Modifikationsdrehmoment (Tmodification) weiter verarbeitet,
welches davon abgezogen wird, was eine modifizierte Motordrehmoment-Referenz (Teng_ref_mod)
erzeugt. Diese Referenz (Teng_ref_mod) wird zu Zwecken der Betriebsregelung
des Motors 511 zu dem Motordrehmoment-Regler 220 gespeist;
d. h. um unter möglichen
Parametern den Luftstrom zu, den Kraftstoffluß zu, und/oder die Zündung an
dem Motor 511 anzupassen. In der Praxis wird die Motordrehmoment-Referenz (Teng_ref)
von der VCU 100 dann durch den Motor 511 verarbeitet
werden; wenn nicht durch die TMU 230 bestimmt wurde, daß der Generator 532 sich
in einem den Motor 511 überlastenden
Zustand befindet. Gibt es von der TMU 230 jedoch einen
Drehmoment-Modifikationswert (Tmodification) der nicht Null ist,
so wird der Motor 511 geregelt werden um den Zustand zu
beseitigen, in welchem das Motordrehmoment das des Generators 532 übersteigt.
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Ein
Hauptvorteil der oben beschriebenen Anordnung ist es, daß ein einziger
Regler, die TMU 230, sowohl den (ωgen_ref) wie auch den (ωgen) liefert. Dies
vermeidet die Möglichkeit
Fehler einzubringen, die Fehlkalibrierungen zuzuschreiben sind,
welche ansonsten auftreten können
wenn mehrere Regler für ähnliche
Zwecke eingesetzt werden. Noch weiter kann ein maximale Motordrehmoment-Grenze (Teng_max_lim)
an der TMU 230 abgeleitet werden, um einen Gleichstrom-Überspannungsschutz
bereitzustellen, welcher aber an der Motordrehmoment-Regeleinheit 220 beeinflußt wird.
-
In
der in 14 veranschaulichten Ausführungsform
sind zwei PI-Regler beinhaltet. In der Ausführungsform von 15 werden
die modifizierte Motordrehmoment-Referenz (Teng_ref_mod) und die maimale
Motordrehmoment-Grenze (Teng_max_lim) rationalisiert, um die maximale
Motordrehmoment-Grenze (Teng_max_lim) zu erzeugen, die von dem Motordrehmoment-Regler 220 eingesetzt
werden wird.