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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridsystems für ein Fahrzeug, aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine, einen Elektromotor, einen Generator, eine Antriebswelle und ein Steuergerät.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, bei einem derartigen Verfahren für einen Zeitraum mit mehreren Zeitintervallen eine Betriebsart des Hybridsystems für jedes Zeitintervall zu bestimmen. Die Betriebsarten umfassen insbesondere ein Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und ein Solldrehmoment des Elektromotors innerhalb der jeweiligen Zeitintervalle. Um einen Verbrauch und/oder eine Emission des Hybridsystems über den Zeitraum zu reduzieren, d.h. das Hybridsystem umweltfreundlicherer zu betreiben, kann mit dem Steuergerät eine Methode zur Minimierung eines Gesamtverlustes des Hybridsystems für jedes Zeitintervall einzeln und unabhängig durchgeführt werden. Die erforderliche Rechenzeit für diese Methode ist in einem Rahmen, sodass sie während des Betreibens des Hybridsystems in Echtzeit mithilfe des Steuergerätes durchgeführt werden kann. Möchte man jedoch das Hybridsystem noch umweltfreundlicher betreiben, so werden aufwendigere Methoden benötigt, welche zum Teil nicht in Echtzeit durchgeführt werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridsystems zu schaffen, mit dem das Hybridsystem umweltfreundlicher betrieben und welches in Echtzeit während des Betriebs des Hybridsystems durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einem Hybridsystem nach Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben eines Hybridsystems für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei das Hybridsystem eine Verbrennungskraftmaschine, einen Elektromotor, einen Generator, eine Antriebswelle und ein Steuergerät aufweist und das Verfahren die folgenden Schritte hat. In einem ersten Schritt wird ein erstes Geschwindigkeitsprofils für einen ersten Zeitraum mit mehreren Zeitintervallen, darunter ein erstes und ein letztes Zeitintervall, während des Betriebs des Hybridsystems zumindest anhand von Navigationsdaten ermittelt. Das erste Geschwindigkeitsprofil weist zumindest einen Geschwindigkeitswert des Hybridsystems für jedes Zeitintervall auf. In einem zweiten Schritt wird eine jeweilige erste Betriebsart des Hybridsystems zu jedem Zeitintervall bestimmt. Die jeweilige erste Betriebsart umfasst zumindest eine Aufteilung eines Gesamtdrehmoments in zumindest ein Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und ein Solldrehmoment des Elektromotors. Das Bestimmen der ersten Betriebsarten erfolgt zumindest in Abhängigkeit des ersten Geschwindigkeitsprofils und einer in dem Steuergerät gespeicherten Datenbasis.
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In einem dritten Schritt wird das Hybridsystem während des ersten Zeitraums betrieben, wobei das Hybridsystem in jedem Zeitintervall in Abhängigkeit der entsprechenden ersten Betriebsart des jeweiligen Zeitintervalls mit dem Steuergerät gesteuert wird und das Gesamtdrehmoment auf die Antriebswelle wirkt.
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In einem vierten Schritt wird eine jeweilige zweite Betriebsart zu jedem Zeitintervall des ersten Zeitraums bestimmt. Die jeweilige zweite Betriebsart umfasst zumindest eine Aufteilung eines Gesamtdrehmoments in ein Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und ein Solldrehmoment des Elektromotors und wird zumindest in Abhängigkeit des ersten Geschwindigkeitsprofils oder eines während des ersten Zeitraums gemessenen Geschwindigkeitsprofils und mithilfe eines globalen Optimierungsverfahrens bestimmt. Bei dem globalen Optimierungsverfahren wird eine Abhängigkeit zwischen einer Berechnung der zweiten Betriebsart des letzten Zeitintervalls und einer Berechnung der zweiten Betriebsart des ersten Zeitintervalls erzeugt.
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In einem fünften Schritt werden die ersten Betriebsarten mit den zweiten Betriebsarten verglichen. Hierbei wird zumindest ein Vergleichswert bestimmt, welcher Unterschiede zwischen den ersten Betriebsarten und den zweiten Betriebsarten erfasst. Im Anschluss daran wird in einem sechsten Schritt der Vergleichswert mit einem Schwellwert verglichen. Ist der Vergleichswert kleiner als der Schwellwert, so werden die Schritte eins bis sechs wiederholt. Ist der Vergleichswert größer als der Schwellwert, wird die Datenbasis durch ein Hinzufügen von Informationen über die zweiten Betriebsarten zu der Datenbasis in einem siebten Schritt erweitert. Dies geschieht bevorzugt auch, wenn der Vergleichswert gleich dem Schwellwert ist.
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Alternativ können die Schritte eins bis sechs wiederholt werden, falls der Vergleichswert gleich dem Schwellwert ist.
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In einem achten Schritt wird das Hybridsystem in einem zweiten Zeitraum mit mehreren Zeitintervallen betrieben, wobei das Hybridsystem in jedem Zeitintervall des zweiten Zeitraums jeweils in Abhängigkeit einer dritten Betriebsart mit dem Steuergerät gesteuert wird. In dem achten Schritt werden die dritten Betriebsarten in Abhängigkeit eines ermittelten zweiten Geschwindigkeitsprofils und der Datenbasis bestimmt.
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Das erste, das gemessene und das zweite Geschwindigkeitsprofil stellen jeweils eine Funktion der Geschwindigkeit des Hybridsystems beziehungsweise des Fahrzeugs, wenn das Hybridsystem in dem Fahrzeug angeordnet ist, über den ersten beziehungsweise zweiten Zeitraum dar. Dabei kann die Funktion kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Mit der Aufteilung des Gesamtdrehmoments in zumindest das Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und des Elektromotors ist gemeint, dass das Gesamtdrehmoment zumindest durch eine Summation des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine und des Elektromotors bereitgestellt wird. Die Summation kann mit einem Summiergetriebe, wie einem Planetengetriebe, durchgeführt werden. Weiterhin kann ein Anteil des Gesamtdrehmoments ein Drehmoment sein, welches von einem Schwungrad des Hybridsystems auf die Antriebswelle wirkt.
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Zusätzlich zu einem Anteil an dem Gesamtdrehmoment kann die Verbrennungskraftmaschine ein Drehmoment zum Antreiben des Generators bereitstellen. Das Steuergerät regelt die Verbrennungskraftmaschine und den Elektromotor derart, dass an deren jeweiliger Ausgangswelle das Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Elektromotors wirkt.
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Im Folgenden wird ein Betreiben des Hybridsystems während eines Zeitraums mit mehreren Zeitintervallen in Abhängigkeit jeweiliger Betriebsarten in den entsprechenden Zeitintervallen als eine Strategie bezeichnet. Demzufolge wird zwischen einer ersten Strategie, welche das Betreiben des Hybridsystems während des ersten Zeitraums in Abhängigkeit der ersten Betriebsarten bezeichnet, einer zweiten Strategie, welche ein theoretisches Betreiben des Hybridsystems während des ersten Zeitraums in Abhängigkeit der zweiten Betriebsarten bezeichnet, und einer dritten Strategie, welche das Betreiben des Hybridsystems während des zweiten Zeitraums in Abhängigkeit der dritten Betriebsarten bezeichnet, unterschieden.
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Ein Bestimmen von ersten, zweiten und dritten Betriebsarten meint, dass zumindest jeweils ein erster, zweiter und dritter Satz von Werten von Parametern zur Steuerung des Hybridsystems während des ersten beziehungsweise zweiten Zeitraums bestimmt wird. Die ersten, zweiten und dritten Betriebsarten weisen jeweils zusammen genommen die Werte der Parameter des ersten, zweiten beziehungsweise dritten Satzes auf. Ein jeweiliger Satz umfasst hierbei die Werte von jedem Parameter von jedem Zeitintervall des entsprechenden Zeitraums. Mit den Werten der Parameter lassen sich zumindest das Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und das Solldrehmoment des Elektromotors in den jeweiligen Zeitintervallen bestimmen. Die Parameter können zum Beispiel die jeweiligen Solldrehmomente oder jeweilige Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine und des Elektromotors, ein Einspritzzeitpunkt in einem Zyklus der Verbrennungskraftmaschine, eine Ankerspannung des Elektromotors und/oder Werte von Reglern des Steuergeräts in den jeweiligen Zeitintervallen sein.
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Bei einer Durchführung des globalen Optimierungsverfahrens kann die Berechnung der zweiten Betriebsart des ersten Zeitintervalls indirekt oder direkt von der Berechnung der zweiten Betriebsart des letzten Zeitintervalls abhängen. Eine weitere Variante sieht eine umgekehrte Abhängigkeit der Berechnungen vor. Eine indirekte Abhängigkeit zwischen den Berechnungen kann folgendermaßen ausgestaltet sein. Zuerst werden die berechneten zweiten Betriebsarten des letzten Zeitintervalls bei einer Berechnung der zweiten Betriebsart eines zwischen dem ersten und letzten Zeitintervall liegenden Zeitintervalls verwendet. Im Anschluss daran gehen die berechneten zweiten Betriebsarten des zwischen dem ersten und letzten Zeitintervall liegenden Zeitintervalls in die Berechnung der zweiten Betriebsart des ersten Zeitintervalls ein. Eine Abhängigkeit zwischen den Berechnungen der zweiten Betriebsarten kann insbesondere durch ein Aufstellen eines Gleichungssystems erzeugt werden, in dem Randbedingungen, wie beispielsweise die Geschwindigkeitswerte des ersten Geschwindigkeitsprofils oder ein geforderter Verlauf des Gesamtdrehmoments während des ersten Zeitraums, berücksichtigt werden.
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Nach dem Bestimmen der zweiten Betriebsarten wird der zweite Satz der Werte der Parameter in dem Steuergerät abgespeichert, bevorzugt zusammen mit den jeweiligen Geschwindigkeitswerten der Zeitintervalle des ersten Zeitraums. Vorteilhaft werden die Geschwindigkeitswerte der jeweiligen Zeitintervalle des ersten oder gemessenen Geschwindigkeitsprofils in einem Geschwindigkeitsvektor gespeichert. Aus den Werten der Parameter des zweiten Satzes eines jeweiligen einzelnen Zeitintervalls wird bevorzugt jeweils ein entsprechender Parametervektor für das entsprechende Zeitintervall gebildet. Demnach beschreiben die Werte eines einzelnen Parametervektors eine jeweilige zweite Betriebsart in dem entsprechenden Zeitintervall. Vorteilhafterweise können zur Beschreibung der zweiten Strategie die jeweiligen Parametervektoren der Zeitintervalle in einer Parametermatrix zusammengefasst werden, wobei die Parametervektoren der Zeitintervalle jeweils Spalten der Parametermatrix ausbilden können.
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Beim Vergleichen der ersten Betriebsarten mit den zweiten Betriebsarten kann der Vergleichswert auf verschiedene Arten bestimmt werden. Nach einer Variante kann für jedes Zeitintervall ein Vergleichsvektor bestimmt werden, welcher einzelne Differenzen zwischen den Werten der Parameter des ersten Satzes und den Werten der Parameter des zweiten Satzes als Einträge aufweist. Bevorzugt wird der Vergleichswert aus einer Summe einzelner Normen der Vergleichsvektoren gebildet. Der Vergleichswert ist insbesondere ein Maß dafür, wie stark die ersten und zweiten Betriebsarten ähnlich zueinander sind. Ist eine Ähnlichkeit zwischen ersten und zweiten Betriebsarten groß, so ist der Vergleichswert vorzugsweise klein und umgekehrt.
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Das Hinzufügen von Informationen über die zweiten Betriebsarten zu der Datenbasis meint, dass nach dem Hinzufügen diese Informationen, d.h. beispielsweise die Werte der Parameter des zweiten Satzes, zumindest teilweise in der Datenbasis vorliegen. Die Datenbasis kann derart ausgestaltet sein, dass nach dem Hinzufügen der Informationen über die zweiten Betriebsarten eine jeweilige Korrelation zwischen dem Geschwindigkeitsvektor und einer jeweiligen Zeile der Parametermatrix in der Datenbasis abgespeichert ist. Die jeweiligen Korrelationen entsprechen in diesem Fall einem zeitlichen Verlauf der Werte eines einzigen Parameters während des ersten Zeitraums. Dies kann in einem einfachen Fall dadurch erfolgen, dass in der Datenbasis der Geschwindigkeitsvektor und die Parametermatrix abgespeichert werden. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Informationen über die zweiten Betriebsarten vollständig in der Datenbasis gespeichert werden und unmittelbar abrufbar sind. In einer weiteren Variante kann die Datenbasis in Form eines Künstliche-Intelligenz(KI)-Moduls ausgebildet sein, in welchem die Korrelationen unscharf abgespeichert sind. Beim Hinzufügen der Informationen über die zweiten Betriebsarten wird das KI-Modul bevorzugt mithilfe des Geschwindigkeitsvektors und der Parametermatrix adaptiert, wobei eine Adaption des KI-Moduls mit KI-Methoden erfolgen kann.
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Der Ausdruck „Modul“, wie er hierin benutzt wird, beschreibt eine beliebige Hardware, Software oder Kombination aus Hardware und Software, die in der Lage ist, die mit dem „Modul“ assoziierte Funktionalität auszuführen.
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Dadurch, dass die zweiten Betriebsarten mit dem globalen Optimierungsverfahren bestimmt werden, kann die zweite Strategie gegenüber der ersten Strategie umweltfreundlicher sein. Durch das Hinzufügen der Informationen über die zweiten Betriebsarten zu der Datenbasis wird die Datenbasis um die Informationen über die zweiten Betriebsarten erweitert und für eine Optimierung des Hybridsystems, insbesondere für die Bestimmung der dritten Betriebsarten, verbessert.
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Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das zweite Geschwindigkeitsprofil ähnlich zu dem ersten Geschwindigkeitsprofil ist. Werden in diesem Fall die dritten Betriebsarten beispielsweise mit dem KI-Modul bestimmt, so können die dritten Betriebsarten ähnlich zu den zweiten Betriebsarten sein. Die auf diese Art bestimmte dritte Strategie kann umweltfreundlicher als eine einfache Strategie sein, welche in Abhängigkeit des zweiten Geschwindigkeitsprofils und einer einfachen Datenbasis, die nicht die Informationen der zweiten Betriebsarten aufweist, bestimmt wird.
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Die zweite Strategie kann insbesondere deswegen umweltfreundlicher als die erste Strategie sein, weil bei dem globalen Optimierungsverfahren für die Berechnung der zweiten Betriebsart des ersten Zeitintervalls die zweite Betriebsart des letzten Zeitintervalls und die zweite Betriebsart eines zwischen dem ersten und dem letzten Zeitintervall liegenden Zeitintervalls in die Berechnung mit eingehen.
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Die Bestimmung der zweiten Betriebsarten kann offline durchgeführt werden. Dies kann ermöglichen, das globale Optimierungsverfahren trotz eines hohen Rechen- und Speicherbedarfes durchzuführen. Auch wenn der vierte, fünfte, sechste und/oder siebte Schritt des Verfahrens unter Umständen nicht in Echtzeit durchführbar sind, so ist jedoch nach dem Hinzufügen der Informationen über die zweiten Betriebsarten ein Zugreifen auf diese Informationen in Echtzeit möglich. Die dritten Betriebsarten können somit in Echtzeit bestimmt werden. Daher kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren das Hybridsystem in Echtzeit betrieben werden, wobei Ergebnisse des globalen Optimierungsverfahrens genutzt werden und dadurch der Betrieb des Hybridsystems umweltfreundlicher ist.
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Grundsätzlich gibt es zumindest zwei Gründe, weshalb eine Anwendung eines globalen Optimierungsverfahrens zum Bestimmen einer Strategie zum Betrieb des Hybridsystems schwierig ist. Der erste Grund ist, dass aufgrund eines globalen Ansatzes, welcher vorzugsweise den gesamten ersten Zeitraum berücksichtigt, ein globales Optimierungsverfahren eine zu hohe Rechenleistung erfordern kann, um dies in Echtzeit durchzuführen. Dies kann vor allem daran liegen, dass ein Ereignisraum, welcher zumindest sämtliche Kombinationen von möglichen Geschwindigkeitsprofilen mit möglichen Strecken aufweist, sehr groß sein kann und sich dadurch ein sehr großer Lösungsraum, der zumindest sämtliche mögliche Strategien umfasst, ergeben kann. Sogar für eine einzige vorgegebene Strecke, welche mit dem Hybridsystem zurückgelegt werden soll, sind viele Geschwindigkeitsprofile möglich. Daraus ergibt sich eine sehr große Anzahl von möglichen Strategien, welche mit dem globalen Optimierungsverfahren überprüft werden müssen.
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Der zweite Grund ist, dass es bei einem sehr großen Lösungsraum leichter dazu führen kann, dass sich ein globales Optimierungsverfahren, beispielsweise ein Gradientenverfahren, in einem lokalen Minimum „verfängt“ und kein globales Minimum gefunden werden kann. Dies kann dadurch begründet werden, dass bei einem größeren Lösungsraum eine Anzahl von lokalen Minima meist viel höher ist.
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Dadurch, dass die zweiten Betriebsarten in Abhängigkeit des ersten oder des gemessenen Geschwindigkeitsprofils bestimmt werden, werden für das globale Optimierungsverfahren nicht alle möglichen Geschwindigkeitsprofile für die vorgegebene Strecke berücksichtigt, sondern nur ein einziges. Dies hat zur Folge, dass der Ereignisraum und damit eine Wahrscheinlichkeit, dass sich das globale Optimierungsverfahren in einem lokalen Minimum verhängt, reduziert werden können.
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Bei der Berücksichtigung lediglich eines einzigen Geschwindigkeitsprofils wird davon ausgegangen, dass das erste oder gemessene Geschwindigkeitsprofil ein sehr relevantes Geschwindigkeitsprofil für die vorgegebene Strecke und bevorzugt für einen Benutzer des Hybridsystems ist. Da das erste Geschwindigkeitsprofil anhand der Navigationsdaten ermittelt wird, kann dabei eine, insbesondere für eine aktuelle Uhrzeit typische, Verkehrssituation mit einbezogen werden. Das Einbeziehen der aktuellen Verkehrssituation kann, insbesondere bei einem sehr dichten Verkehr, eine Anzahl von möglichen Geschwindigkeitsprofilen für den ersten Zeitraum auf eins begrenzen, insbesondere wenn eine Toleranz der jeweiligen zu jedem Zeitintervall zugeordneten Geschwindigkeitswerte gegenüber möglichen Geschwindigkeitswerten von etwa 1 Prozent berücksichtigt wird. Insbesondere dadurch, dass das Bestimmen des ersten oder des gemessenen Geschwindigkeitsprofils während des Betriebs des Hybridsystems erfolgt, können aktuelle Navigationsdaten, wie eine aktuelle Verkehrssituation oder eine geänderte Geschwindigkeitsbegrenzung, mit einbezogen werden.
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Aus den bisher genannten Gründen ist es möglich, ein globales Optimierungsverfahren zur Verbesserung des Betriebs des Hybridsystems zu verwenden. Dabei kann eine Variante vorsehen, dass das globale Optimierungsverfahren in Echtzeit auf dem Steuergerät durchgeführt wird. Dies kann aufgrund des reduzierten Ereignisraums und Lösungsraums möglich sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das erste und/oder zweite Geschwindigkeitsprofil anhand von einer weiteren Datenbasis ermittelt, insbesondere geschätzt. Die weitere Datenbasis kann beispielsweise Informationen über einen gespeicherten Fahrstil des Benutzers des Hybridsystems, Informationen über einen Zustand des Hybridsystems oder des Fahrzeugs und/oder Auswertungen von Radarmessungen und/oder Sensorwerten von am Fahrzeug oder am Hybridsystem angeordneten Sensoren umfassen. Durch die Verwendung der weiteren Datenbasis ist es möglich, dass die Geschwindigkeitswerte des ersten und/oder zweiten Geschwindigkeitsprofils nur eine geringe oder gar keine Abweichung im Rahmen einer Toleranz von etwa 1 Prozent gegenüber den Geschwindigkeitswerten des gemessenen Geschwindigkeitsprofils beziehungsweise einem erneut gemessenen Geschwindigkeitsprofils für den zweiten Zeitraum haben.
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Dies hat zum einen den Vorteil, dass die ersten und/oder dritten Betriebsarten genauer bestimmt werden können. Darüber hinaus hat dies den Vorteil, dass im Falle einer solch geringen Abweichung für die Steuerung des Hybridsystems Modelle verwendet werden können, die ein annähernd lineares Verhalten aufweisen. Dadurch kann innerhalb eines aktuellen Zeitintervalls ein lokales Optimierungsverfahren mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit verwendet werden, um die ersten und/oder dritten Betriebsarten zu korrigieren. Vorteilhaft wird bei jedem Starten und anschließendem Betreiben des Hybridsystems ein Fahrstil des Benutzers erneut erfasst und der weiteren Datenbasis hinzugefügt. So kann die weitere Datenbasis bei jedem erneuten Betrieb des Hybridsystems an den Benutzer angepasst werden und ein umweltschonenderes Betreiben des Hybridsystems beim nachfolgenden Betrieb ermöglichen. Der erste Zeitraum ist vorzugsweise derart gewählt, dass das Hybridsystem in dem ersten Zeitraum eine Strecke von zwei bis zehn Kilometern zurücklegt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das globale Optimierungsverfahren ein Verfahren der dynamischen Programmierung ist. Bei dieser Variante des Verfahrens stellt die globale Optimierung der zweiten Strategie, d.h. der zweiten Betriebsarten zusammen genommen, das Optimierungsproblem dar. Das Optimierungsproblem wird in Teilprobleme zerlegt. Beispielsweise kann eine Reduktion des Verbrauchs des Hybridsystems während des gesamten ersten Zeitraums in ein erstes und ein zweites Teilproblem zerlegt werden. Hierbei können das erste Teilproblem durch eine Reduktion des Verbrauchs des Hybridsystems während der ersten fünf Zeitintervalle des ersten Zeitraums und das zweite Teilproblem durch eine Reduktion des Verbrauchs des Hybridsystems während der letzten fünf Zeitintervalle des ersten Zeitraums definiert sein. In einer vorteilhaften Variante gehen die Ergebnisse des zweiten Teilproblems, insbesondere die berechneten zweiten Betriebsarten der letzten fünf Zeitintervalle, in die Berechnung des ersten Teilproblems ein. Insbesondere wird die zweite Strategie aus den jeweiligen zweiten Betriebsarten gebildet, die jeweils eine optimale Betriebsart in dem entsprechenden Zeitintervall darstellen. Die Lösung des Optimierungsproblems setzt sich bevorzugt aus einzelnen optimalen Lösungen der Teilprobleme zusammen.
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Analog kann das Optimierungsproblem auch in einhundert oder mehr Teilprobleme aufgeteilt werden. Dadurch, dass für eine Berechnung eines Teilproblems für ein zu berechnendes Zeitintervall die Ergebnisse eines Teilproblems eines zeitlich dahinter liegenden Zeitintervalls verwendet werden, kann ein Rechenaufwand für das globale Optimierungsverfahren reduziert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass innerhalb eines aktuellen Zeitintervalls des ersten und/oder zweiten Zeitraums die ersten beziehungsweise dritten Betriebsarten mithilfe eines lokalen Optimierungsverfahrens korrigiert werden. Das lokale Optimierungsverfahren, beispielsweise ein Verfahren der Variationsrechnung, wird vorzugsweise in Echtzeit durchgeführt. Dadurch kann die jeweilige erste beziehungsweise dritte Betriebsart des aktuellen Zeitintervalls in Echtzeit weiter verbessert werden. So ist es möglich, die Vorteile eines lokalen Optimierungsverfahrens mit denen eines globalen Optimierungsverfahrens zu kombinieren.
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Werden die Schritte eins bis acht mehrmals für weitere erste Zeiträume wiederholt, so liegen weitere zweite Betriebsarten vor und es kann die Datenbasis mehrfach mittels eines Hinzufügens der Informationen über die weiteren zweiten Betriebsarten verbessert werden. Hierbei werden vorzugsweise jeweils ein weiterer Parametervektor für jedes Zeitintervall eines weiteren ersten Zeitraumes und eine weitere Parametermatrix bestehend aus den jeweiligen weiteren Parametervektoren der jeweiligen Zeitintervalle nach der oben beschriebenen Art gebildet und gespeichert und bevorzugt für eine Adaption des KI-Moduls verwendet.
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Mittels eines mehrfachen Hinzufügens der Informationen über die weiteren zweiten Betriebsarten können die durch die Datenbasis repräsentierten Informationen an Informationen angenähert werden, welche durch Einträge einzelner optimaler Vektoren eines vollständigen optimalen Vektorraums repräsentiert werden. Dabei kann der vollständige optimale Vektorraum alle möglichen global optimierten Strategien aller möglichen Geschwindigkeitsprofile aller möglichen Strecken von allen möglichen Orten oder alle möglichen global optimierten Strategien aller möglichen Geschwindigkeitsprofile aller möglichen Strecken von einem, bevorzugt häufigen, Standort des Hybridsystems umfassen. Somit kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren die dritte Strategie in Echtzeit derart bestimmt werden, dass diese ähnlich einer global optimierten Strategie für den zweiten Zeitraum ist.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird beim Durchführen der Schritte eins bis acht mithilfe der Parametermatrix ein Strategievektor gebildet, welcher als Einträge zumindest ein Teil der Einträge der Parametermatrix aufweist. Möglich ist auch, dass der Strategievektor aus allen Spalten der Parametermatrix, d.h. den Parametervektoren aller Zeitintervalle des ersten Zeitraums, gebildet wird. Der Strategievektor entspricht in diesem Fall gleich dem zweiten Satz der Werte der Parameter. Bei jeder Wiederholung der Schritte eins bis acht wird bevorzugt ein weiterer Strategievektor erzeugt. Werden die weiteren Parametermatrizen für die Adaption des KI-Moduls verwendet, so ist die Datenbasis durch die mehreren weiteren Strategievektoren repräsentierbar.
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Besonders vorteilhaft wird vor dem Hinzufügen der Informationen über die weiteren zweiten Betriebsarten zu der Datenbasis überprüft, ob ein weiterer Strategievektor eine Linearkombination aus vorher gebildeten Strategievektoren ist. Ist dies der Fall, so werden die Informationen über die weiteren zweiten Betriebsarten bevorzugt nicht zur Datenbasis hinzugefügt. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass im Fall einer Existenz dieser Linearkombination die Informationen über die weiteren zweiten Betriebsarten durch die Datenbasis in Form der Linearkombination bereits repräsentiert werden.
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Für den Fall, dass keine Linearkombination vorliegt, kann der weitere Strategievektor in eine erste und in eine zweite Komponente zerlegt werden. Die erste Komponente wird bevorzugt durch eine Projektion des weiteren Strategievektors auf einen Strategievektorraum, welcher durch die vorher gebildeten Strategievektoren oder deren Komponenten aufgespannt wird, gebildet. Die zweite Komponente ergibt sich aus einer Differenz des weiteren Strategievektors mit der ersten Komponente. Vorzugsweise wird die zweite Komponente dem Strategievektorraum hinzugefügt. Somit werden zumindest Teile der durch den weiteren Strategievektor repräsentierten Informationen und damit Informationen über die zweiten Betriebsarten zu der Datenbasis hinzugefügt. Beim Hinzufügen dieser Informationen wird der Strategievektorraum erweitert.
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Wird wiederholt die zweite Komponente eines weiteren Strategievektors dem Strategievektorraum hinzugefügt, so kann erreicht werden, dass die Strategievektoren des Strategievektorraums beziehungsweise Komponenten mehrerer Strategievektoren jeweils senkrecht zueinander stehen. Werden zusätzlich die Strategievektoren normiert, kann der Strategievektorraum eine Orthonormalbasis ausbilden. Sowohl die Projektion als auch das Normieren können ein Rechnen mit dem auf diese Art gebildeten Strategievektorraum erleichtern, wie zum Beispiel ein Lösen eines Gleichungssystems, welches mithilfe des Strategievektorraums gebildet werden kann. Das Erstellen und das anschließende Hinzufügen der zweiten Komponente des weiteren Strategievektors kann durch die Adaption des KI-Moduls, welche bevorzugt mithilfe der entsprechenden weiteren Parametermatrix durchgeführt wird, approximiert werden. Vor der Adaption kann das KI-Modul annähernd die Informationen der vorher gebildeten Strategievektoren repräsentieren.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zumindest eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Figuren. Diese zeigen in:
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1 ein Hybridsystem in einem Fahrzeug;
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2 einzelne Schritte eines Verfahrens zum Betreiben des Hybridsystems nach 1;
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3 eine Unterteilung eines ersten Zeitraums in mehrere Zeitintervalle;
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4 ein Modul zur Bestimmung von ersten und dritten Betriebsarten;
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5 eine Struktur zweier Strategievektoren zur Beschreibung zweiter Betriebsarten.
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1 zeigt ein Hybridsystems 1, welches in einem Fahrzeug 2 angeordnet ist. Das Hybridsystem 1 hat eine Verbrennungskraftmaschine 3 mit einer Kurbelwelle 9 und einem Riementrieb 10, einen Elektromotor 4 mit einer Ausgangswelle 14, einen Generator 5 mit einer Generatorwelle 11, eine Antriebswelle 6, ein Steuergerät 7, ein Summiergetriebe 8 und eine Batterie 12. Das Steuergerät 7 steuert die Verbrennungskraftmaschine 3, den Elektromotor 4, den Generator 5 und das Summiergetriebe 8. Der Generator 5 kann über die Kurbelwelle 9, den Riementrieb 10 und die Generatorwelle 11 angetrieben werden. Das Steuergerät 7 steuert das Summiergetriebe 8 derart, dass an der Antriebswelle 6 ein Gesamtdrehmoment wirkt, wobei das Summiergetriebe 8 ein Drehmoment, welches von der Kurbelwelle 9 auf das Summiergetriebe 8 wirkt, und ein Drehmoment, welches von der Ausgangswelle 14 auf das Summiergetriebe 8 wirkt, addiert.
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Aus 2 geht ein Verfahren zum Betreiben des Hybridsystems 1 mit den folgenden Schritten hervor. In einem ersten Schritt 31 wird ein erstes Geschwindigkeitsprofils für einen ersten Zeitraum mit mehreren Zeitintervallen, darunter ein erstes und ein letztes Zeitintervall, während des Betriebs des Hybridsystems 1 zumindest anhand von Navigationsdaten ermittelt. In einem zweiten Schritt 32 wird eine jeweilige erste Betriebsart des Hybridsystems 1 zu jedem Zeitintervall bestimmt. Die jeweilige erste Betriebsart umfasst zumindest eine Aufteilung eines Gesamtdrehmoments in zumindest ein Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und ein Solldrehmoment des Elektromotors. Das Bestimmen der ersten Betriebsarten erfolgt zumindest in Abhängigkeit des ersten Geschwindigkeitsprofils und einer in dem Steuergerät 7 gespeicherten Datenbasis.
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In einem dritten Schritt 33 wird das Hybridsystem während des ersten Zeitraums betrieben, wobei das Hybridsystem in jedem Zeitintervall in Abhängigkeit der entsprechenden ersten Betriebsart des jeweiligen Zeitintervalls mit dem Steuergerät gesteuert wird und das Gesamtdrehmoment auf die Antriebswelle wirkt.
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In einem vierten Schritt 34 wird eine jeweilige zweite Betriebsart zu jedem Zeitintervall des ersten Zeitraums bestimmt. Die jeweilige zweite Betriebsart umfasst zumindest eine Aufteilung eines Gesamtdrehmoments in ein Solldrehmoment der Verbrennungskraftmaschine und ein Solldrehmoment des Elektromotors und wird zumindest in Abhängigkeit des ersten Geschwindigkeitsprofils oder eines während des ersten Zeitraums gemessenen Geschwindigkeitsprofils und mithilfe eines globalen Optimierungsverfahrens bestimmt. Bei dem globalen Optimierungsverfahren wird eine Abhängigkeit zwischen einer Berechnung der zweiten Betriebsart des letzten Zeitintervalls und einer Berechnung der zweiten Betriebsart des ersten Zeitintervalls erzeugt.
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In einem fünften Schritt 35 werden die ersten Betriebsarten mit den zweiten Betriebsarten verglichen. Hierbei wird zumindest ein Vergleichswert bestimmt, welcher Unterschiede der ersten Betriebsarten zu den zweiten Betriebsarten erfasst. Im Anschluss daran wird in einem sechsten Schritt 36 der Vergleichswert mit einem Schwellwert verglichen. Ist der Vergleichswert kleiner als der Schwellwert, so werden die Schritte eins bis sechs wiederholt. Ist der Vergleichswert größer als der Schwellwert, wird die Datenbasis durch ein Hinzufügen von Informationen über die zweiten Betriebsarten zu der Datenbasis in einem siebten Schritt 37 erweitert. Dies geschieht bevorzugt auch, wenn der Vergleichswert gleich dem Schwellwert ist. Alternativ können die Schritte eins bis sechs wiederholt werden, falls der Vergleichswert gleich dem Schwellwert ist.
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In einem achten Schritt 38 wird das Hybridsystem in einem zweiten Zeitraum mit mehreren Zeitintervallen betrieben, wobei das Hybridsystem in jedem Zeitintervall des zweiten Zeitraums jeweils in Abhängigkeit einer dritten Betriebsart mit dem Steuergerät gesteuert wird und ein von den dritten Betriebsarten abhängiges Gesamtdrehmoment an der Antriebswelle 6 wirkt. In dem achten Schritt werden die dritten Betriebsarten in Abhängigkeit eines ermittelten zweiten Geschwindigkeitsprofils und der Datenbasis bestimmt. Der zweite Zeitraum ist bevorzugt gleich groß wie der erste Zeitraum und weist gleich viele Zeitintervalle wie der erste Zeitraum auf. Die Schritte eins bis acht werden bevorzugt während des Betriebs des Hybridsystems 1 mehrfach wiederholt.
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3 zeigt das erste Geschwindigkeitsprofil 41 für den ersten Zeitraum 42 mit mehreren Zeitintervallen 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, darunter das erste Zeitintervall 43 und das letzte Zeitintervall 52. Das erste Geschwindigkeitsprofil 41 ist kontinuierlich und weist zumindest einen Geschwindigkeitswert des Hybridsystems 1 für jedes Zeitintervall des Zeitraums 42 auf. Das erste Geschwindigkeitsprofil 41 wird anhand von Navigationsdaten, einer berechneten Strecke zu einem vorgegebenen Ziel, und von einem in dem Steuergerät 7 gespeicherten Fahrstil eines Benutzers des Hybridsystems 1 geschätzt. Mittels des ersten Geschwindigkeitsprofils 41 kann ein erster Gesamtdrehmomentverlauf 42 bestimmt werden. Dieser entspricht einem geforderten zeitlichen Verlauf des an der Antriebswelle 6 wirkenden Gesamtdrehmoments. Bei der Bestimmung des ersten Gesamtdrehmomentverlaufs 42 gehen bevorzugt ein ermitteltes Steigungsprofil einer Straße entlang der Strecke, ein berechneter Fahrwiderstandsverlauf des Fahrzeugs 2 und ein Getriebestufenverlauf des Getriebes 17 während des Zeitraums 42 beim Abfahren der Strecke mit ein.
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Das in 3 gezeigte erste Geschwindigkeitsprofil 41 und der erste Gesamtdrehmomentverlauf 42 können beispielsweise für eine Fahrt über eine zunächst ebene Landstraße mit anschließender Steigung ermittelt werden. Im Folgenden soll beschrieben werden, wie die ersten Betriebsarten bestimmt werden können.
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4 zeigt ein Modul 58 des Steuergeräts 7 mit mehreren Eingängen 59 und Ausgängen 60. Die Eingänge 59 und Ausgänge 60 des Moduls 58 können in einer Variante fest auf einer Platine des Steuergerätes verdrahtet sein und in einer anderen Variante in einem Mikroprozessor durch ein Computerprogramm abgebildet werden. Zu den Eingängen 59 können Eingangswerte 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 und 70 jeweils in Form eines jeweiligen Geschwindigkeitswerts des ersten Geschwindigkeitsprofils 41 des entsprechenden Zeitintervalls 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 und 52 des ersten Zeitraums 42 geleitet werden. Vorzugsweise ist der jeweilige Geschwindigkeitswert eine mittlere Geschwindigkeit des Hybridsystems 1 in dem entsprechenden Zeitintervall. In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Modul 58 neben den Eingängen 59 weitere Eingänge auf, zu denen jeweils zumindest ein Wert des Gesamtdrehmomentverlaufs 42 für das entsprechende Zeitintervall geleitet wird.
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In Abhängigkeit einer in dem Steuergerät 7 gespeicherten Datenbasis verarbeitet das Modul 58 die Eingangswerte 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 und 70, wobei die Ausgänge 60 jeweils Ausgangswerte in Form der jeweiligen ersten Betriebsart 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 und 80 zu jedem entsprechenden Zeitintervall 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51 und 52 ausgeben. Dabei ist eine Anzahl von Kanälen eines einzigen Ausgangs gleich einer Anzahl von Parametern zur Steuerung des Hybridsystems. Die jeweilige erste Betriebsart 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 und 80 kann jeweils mithilfe eines Vektors beschrieben werden. Beispielsweise können jeweils die erste Betriebsart des ersten Zeitintervalls 43, des zweiten Zeitintervalls 44 und des zehnten Zeitintervalls 52 entsprechend mit dem ersten Vektor 71.0, dem zweiten Vektor 72.0 und dem zehnten Vektor 80.0 ausgedrückt werden.
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Der erste Vektor 71.0 hat die Einträge 71.1, 71.2, 71.3 und 71.4, welche jeweils ein Wert des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine 3, des Solldrehmoments des Elektromotors 4, einer Ankerspannung des Generators 5 oder einer Getriebestufe des Getriebes 17 während des ersten Zeitintervalls 43 sein können. Entsprechendes gilt für die Einträge 72.1, 72.2, 72.3 und 72.4 und 80.1, 80.2, 80.3 und 80.4 des zweiten Vektors 72.0 beziehungsweise des zehnten Vektors 80.0.
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In 3 ist ein Verlauf 53 des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine 3 und ein Verlauf 54 des Solldrehmoments des Elektromotors 4 entsprechend der ersten Betriebsarten 71 bis 80 eingezeichnet. Beispielhaft sind die einzelnen Werte 71.1, 72.1 und 80.1 des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine 3 und die einzelnen Werte 71.2, 72.2 und 80.2 des Solldrehmoments des Elektromotors 4 entsprechend der ersten Betriebsarten eingezeichnet.
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Besonders vorteilhaft wird die Datenbasis durch das Modul 58 repräsentiert. Die Datenbasis weist vorzugsweise mehrere Datensätze auf, wobei die Datensätze vorzugsweise jeweils ein vergangenes erstes Geschwindigkeitsprofil für einen vergangenen ersten Zeitraum mit mehreren Zeitintervallen und zu den vergangenen Zeitintervallen zugehörige vergangene zweite Betriebsarten umfassen. Sofern noch keine zweiten Betriebsarten bestimmt worden sind, kann ein Datensatz anstatt der vergangen zweiten Betriebsarten auch initiale Betriebsarten umfassen. Die initialen Betriebsarten können bei einer Bedatung des Steuergerätes 7 vor einer Inbetriebnahme des Hybridsystems in dem Steuergerät 7 gespeichert werden.
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Die ersten und dritten Betriebsarten können durch einen Vergleich des ersten beziehungsweise zweiten Geschwindigkeitsprofils mit den vergangenen ersten Geschwindigkeitsprofilen der Datensätze bestimmt werden. Dabei können jeweilige Differenzvektoren gebildet und normiert werden. Die Differenzvektoren haben Differenzen aus den Geschwindigkeitswerten des ersten beziehungsweise des zweiten Geschwindigkeitsprofils und den Geschwindigkeitswerten eines vergangenen ersten Geschwindigkeitsprofils als Einträge. Dem Differenzvektor mit der niedrigsten Norm kann das entsprechende vergangene erste Geschwindigkeitsprofil und die zugehörigen zweiten Betriebsarten zugeordnet werden.
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Die ersten beziehungsweise dritten Betriebsarten werden bevorzugt mithilfe der zu dem Differenzvektor mit der niedrigsten Norm zugeordneten zweiten Betriebsarten bestimmt oder diesen gleich gesetzt. Vorteilhaft können die ersten beziehungsweise dritten Betriebsarten mithilfe einer Interpolation aller Differenzvektoren und einer Interpolation und/oder Extrapolation aller vergangenen zweiten Betriebsarten bestimmt werden. Hierzu ist das Modul 58 vorzugsweise als ein KI-Modul ausgebildet. Das KI-Modul kann ein neuronales Netz wie ein Backpropagationnetz, ein Jordan- oder Elman-Netz und/oder ein Radial-Basisfunktionen-Netz (RBF-Netz) oder eine Kombination dieser Netze sein.
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Der Vorteil des RBF-Netzes ist, dass diese eine vergleichsweise einfache Struktur mit nur einer verdeckten Schicht von Neuronen aufweisen können und eine direkte, d.h. nichtiterative, Berechnung von Parametern des RBF-Netzes ermöglichen und dadurch eine Zeit zum Trainieren des RBF-Netzes im Vergleich zu einem Backprogagationnetz verkürzt werden kann. Mithilfe der Jordan- oder Elman-Netze kann eine zeitliche Dimension durch das Netz repräsentiert werden. Dadurch können insbesondere zeitliche Verläufe von Werten einzelner Parameter während des ersten Zeitraums kompakter abgebildet werden. Hierzu können bevorzugt bewegliche Zeitfenster betrachtet werden, für die jeweils zweite Betriebsarten berechnet werden. Die Jordan- oder Elman-Netze werden bevorzugt mit Vektoren trainiert, die Informationen der zweiten Betriebsarten von mehreren sich überlappenden Zeitfenstern aufweisen.
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In dem vierten Schritt 34 werden bevorzugt mithilfe der dynamischen Programmierung die zweiten Betriebsarten für den ersten Zeitraum 42 berechnet. 5 zeigt, wie für das jeweilige Zeitintervall 43 bis 52 ein entsprechender Parametervektor 171.0, 172.0 bis 180.0 gebildet wird, der die entsprechende zweite Betriebsart beschreibt. Die Einträge 171.1, 171.2, 171.3 und 171.4 des ersten Parametervektors 171.0, die Einträge 172.1, 172.2, 172.3 und 172.4 des zweiten Parametervektors 172.0 und die Einträge 180.1, 180.2, 180.3 und 180.4 des zehnten Parametervektors 180.0 sind jeweils ein global optimierter Wert des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine 3, des Solldrehmoments des Elektromotors 4, der Ankerspannung des Generators 5 beziehungsweise der Getriebestufe des Getriebes 17 während des ersten Zeitintervalls 43, des zweiten Zeitintervalls 44 und entsprechend des zehnten Zeitintervalls 52.
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In 3 sind ein Verlauf 55 des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine 3 und ein Verlauf 56 des Solldrehmoments des Elektromotors 4 entsprechend der zweiten Betriebsarten eingezeichnet. Beispielhaft sind die einzelnen Werte 171.1, 172.1 und 180.1 des Solldrehmoments der Verbrennungskraftmaschine 3 und die einzelnen Werte 171.2, 172.2 und 180.2 des Solldrehmoments des Elektromotors 4 entsprechend der zweiten Betriebsarten eingezeichnet.
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Aus 3 ist erkennbar, dass die mittels des globalen Optimierungsverfahrens bestimmten zweiten Betriebsarten einen nahezu konstanten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 während des ersten Zeitraums 42 vorsehen und die Batterie 12 vor der Steigung stärker aufgeladen wird als bei dem Betrieb des Hybridsystems 1 gemäß der ersten Betriebsarten. Somit können mithilfe der dynamischen Programmierung Zeitintervalle gefunden werden, in denen die Batterie 12 annähernd vollständig aufgeladen werden kann. Dies ermöglicht eine geringere Dimensionierung der Verbrennungskraftmaschine 3 bei einer Auslegung des Hybridsystems 1. Des Weiteren erlaubt der nahezu konstante Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 einen umweltfreundlicheren Betrieb des Hybridsystems 1.
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In vorteilhafter Weise wird aus allen zehn Parametervektoren 171.1 bis 180.0 ein Strategievektor 190 gebildet. Werden die Schritte eins bis acht mehrfach wiederholt, können bei jeder Wiederholung zehn weitere Parametervektoren 191.0, 192.0 bis 200.0, wie in 5 gezeigt, gebildet und zu einem weiteren Strategievektor 191 zusammengefasst werden. Nach einen hohen Anzahl an Wiederholungen, beispielsweise einhundert bis eintausend Wiederholungen, liegen entsprechend einhundert bis eintausend Strategievektoren und genauso viele erste Geschwindigkeitsprofile und bevorzugt Gesamtdrehmomentverläufe vor und können zu Trainingsdatensätzen zusammengefasst und zum Adaptieren, d.h. Trainieren, des Moduls 58 verwendet werden.
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Nachdem das Modul 58 zumindest einmal trainiert oder initialisiert worden ist, können Informationen über neu errechnete zweite Betriebsarten zu der Datenbasis hinzugefügt werden, indem das Modul 58 bevorzugt mittels einer Projektion eines neu berechneten Strategievektors erweitert wird. Je höher die Anzahl der Trainingsdatensätze ist, desto genauer können ausgehend von dem zweiten Geschwindigkeitsprofil die dritten Betriebsarten mit dem Modul 58 bestimmt werden. Dabei können die Trainingsdatensätze Stützstellen der Datenbasis repräsentieren, mit welchen die dritten Betriebsarten mittels einer Interpolation in Abhängigkeit des zweiten Geschwindigkeitsprofils und bevorzugt eines für den zweiten Zeitraum ermittelten Gesamtdrehmomentverlaufs berechnet werden können.
