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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle - HEV), das von einem Doppelstator-Elektromotor angetrieben wird, der von einer Batterie und einem Superkondensator gespeist wird.
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Hintergrund der Erfindung
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In den letzten Jahren hat es aufgrund eines Anstiegs des Kohlendioxidgehalts sowie der Verknappung der Ölversorgung eine wachsende Besorgnis über den globalen Klimawandel gegeben. Infolgedessen haben einige Automobilhersteller und Verbraucher ein grö-ßeres Interesse an Kraftfahrzeugen mit geringen Emissionen und höherer Kraftstoffeffizienz. Eine praktikable Option ist ein Hybridelektrofahrzeug (HEV), mit dem das Fahrzeug von einem Elektromotor, einem Verbrennungsmotor oder einer Kombination aus beiden angetrieben werden kann.
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Bei Mild-Hybriden sind die elektrischen Komponenten nicht in der Lage, die Räder selbstständig direkt anzutreiben. Stattdessen wirken ein kleiner Akku und ein Elektromotor als Hilfsmittel, um zu ermöglichen, den Kraftstoffverbrauch zu verbessern, die Leistung durch Drehmomentimpulse leicht zu steigern, Energie zurückzugewinnen und Zubehör mit Strom zu versorgen. Eine der häufigsten Aufgaben eines Elektromotors in einem Mild-Hybrid besteht darin, gleichzeitig als Starter zu fungieren und die Start-Stopp-Technologie mit Strom zu versorgen. In letzter Zeit haben sich in der gesamten Branche leistungsfähigere und effizientere Mild-Hybride mit 48-Volt-Akkus ausgebreitet.
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Hybridfahrzeuge sind Maschinen mit zwei Antrieben. Der Benzinmotor, der die Hauptantriebsquelle darstellt, ist viel kleiner als bei Autos, die von einem Motor angetrieben werden, während der Elektromotor eine geringe Leistung aufweist. Die kombinierte Leistung von beiden ist oft geringer als die eines Motors (ICE). Es wird daher angenommen, dass Hybridfahrzeuge für das Fahren in der Stadt und nicht für Geschwindigkeit und Beschleunigung geeignet sind.
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Daher ist es erforderlich, Hybridelektrofahrzeuge mit reduziertem Gewicht und verbesserten Leistungen zu entwickeln.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demzufolge ist es eines der Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System für ein Hybridelektrofahrzeug mit reduziertem Gewicht und verbesserter Leistung bereitzustellen, indem ein durch eine Batterie und einen Superkondensator gespeister Doppelstator-Elektromotor angepasst wird.
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Demzufolge wird ein Hybridelektrofahrzeug, HEV, bereitgestellt, das von zumindest einem Verbrennungsmotor, ICE (Internal Combustion Engine) und einem Elektromotor angetrieben wird. Das Hybridelektrofahrzeug weist auf:
- den Elektromotor, der mit zwei Sätzen mehrphasiger Wicklungen ausgestattet ist, die eingerichtet sind, um unabhängig voneinander durch zwei verschiedene Strompegel von jedem der beiden Sätze mehrphasiger Wicklungen gespeist zu werden;
- eine Elektrofahrzeugbatterie, EVB (Electric Vehicle Battery), die eingerichtet ist, um Strom zum Betreiben des Elektromotors bereitzustellen, und mit einem der beiden Sätze von Dreiphasenwicklungen verbunden ist;
- einen Superkondensator, der eingerichtet ist, um Strom zum Betreiben des Elektromotors bereitzustellen, und mit dem anderen der beiden Sätze von Drei-Wicklungen verbunden ist; und eine Motorsteuerung, die eingerichtet ist, um eine erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors auf der Grundlage einer Leistungsanforderung von dem Fahrer für das HEV zu berechnen, ein Leistungsverteilungsverhältnis zwischen der EVB und dem Superkondensator zu bestimmen und die erforderliche Gesamtleistung an den Elektromotor von der EVB und dem Superkondensator gemäß dem bestimmten Leistungsverteilungsverhältnis zuzuführen,
- wobei der Superkondensator einen größeren Bereich der Arbeitstemperatur als die EVB aufweist.
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Der Superkondensator kann im Vergleich zu der EVB eine höhere Leistungsdichte aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das kombinierte System aus Blei-Säure-Batterie und Starter bzw. Anlasser entfernt werden, und demzufolge kann eine bessere Baugruppe/Geräumigkeit in dem Motor sichergestellt werden. Außerdem kann die Gesamtleistung des Fahrzeugs verbessert werden, da der Superkondensator leichter ist und eine höhere Leistungsdichte als die Blei-Säure-Batterie aufweist. Darüber hinaus kann die Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung in Niederspannung betrieben werden und eine kompaktere Größe aufweisen. Eine weitere Verbesserung ergibt sich aus der leichteren und kompakteren Steuerung (Controller) und dem dazugehörigen Niederspannungssystem im Vergleich zu einem herkömmlichen Starter.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine MHEV-Lithiumbatterie durch Kombinieren mit einem Superkondensator durch einen Doppelstator-Elektromotor verkleinert werden, während eine verbesserte Leistung garantiert wird. Insbesondere kann bei niedrigen Motordrehzahlen das maximale Drehmoment des gesamten Antriebsstrangs verbessert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Hybridelektrofahrzeug durch Einsetzen eines Superkondensators einen breiteren Arbeitstemperaturbereich und eine höhere Haltbarkeit aufweisen.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen ist die Motorsteuerung eingerichtet, um den ersten Leistungsbedarf und den zweiten Leistungsbedarf in Bezug auf zumindest einen der Antriebsmodi des HEV, eine Außentemperatur des HEV, einen Betrag der erforderlichen Gesamtleistung des Elektromotors und eine Energieverfügbarkeit von jedem der EVB und des Superkondensators zu bestimmen.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen ist die Motorsteuerung eingerichtet, um das Leistungsverteilungsverhältnis der EVB derart zu bestimmen, dass es kleiner ist, wenn die Außentemperatur des HEV abnimmt.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen ist die Motorsteuerung eingerichtet, um das Leistungsverteilungsverhältnis der EVB zu dem Superkondensator derart zu bestimmen, dass es kleiner ist, wenn der von dem Fahrer benötigte Drehmomentbetrag größer wird.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen ist die Motorsteuerung eingerichtet, um die erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors derart zu berechnen, dass sie in einer Beschleunigungsphase größer als in einer Verzögerungsphase ist.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen weist der Elektromotor zwei um 30 elektrische Grad verschobene Magnetfelder mit isolierten Neutralpunkten auf.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen ist die Motorsteuerung eingerichtet, um während einer Bremsphase Energie in der EVB und dem Superkondensator zu speichern.
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In einigen vorteilhaften Ausführungsformen, Varianten oder Verbesserungen von Ausführungsformen ist die Motorsteuerung eingerichtet, um Energie in der EVB und dem Superkondensator zu speichern, um eine Energierückgewinnung zwischen der EVB und dem Superkondensator auszugleichen.
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Die Rechenvorrichtung kann in Hardware, wie beispielsweise einer Schaltung oder einer Leiterplatte ausgeführt sein und/oder Transistoren, Logikgatter und andere Schaltungen aufweisen. Zusätzlich kann die Rechenvorrichtung zumindest teilweise in Bezug auf Software ausgeführt sein. Demzufolge kann die Rechenvorrichtung einen Prozessor (eine oder mehrere CPUs und/oder eine oder mehrere GPUs und/oder einen oder mehrere ASICs und/oder einen oder mehrere FPGAs), einen Arbeitsspeicher und einen nichtflüchtigen Speicher aufweisen oder operativ mit diesem gekoppelt sein, die eine Software oder Firmware speichern, die von dem Prozessor ausgeführt wird, um die Funktionen der Rechenvorrichtung auszuführen. Signale können von der Eingabeschnittstelle empfangen werden und Signale, die der Prozessor der Rechenvorrichtung erzeugt, können von der Ausgabeschnittstelle ausgegeben werden. Die Rechenvorrichtung kann zumindest teilweise als ein Mikrocontroller, ein ASIC, ein FPGA usw. realisiert bzw. implementiert sein.
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Die Erfindung stellt gemäß einer zweiten Ausgestaltung auch ein computerimplementiertes Verfahren zum Betreiben eines Hybridelektrofahrzeugs, HEV, bereit, das von zumindest einem aus einem Verbrennungsmotor, ICE, und einem Elektromotor angetrieben wird.
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Die Erfindung stellt ferner gemäß einer dritten Ausgestaltung ein nichtflüchtigen computerlesbares Datenspeichermedium bereit, das ausführbaren Programmcode aufweist, der eingerichtet ist, um bei Ausführung durch eine Rechenvorrichtung das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der ersten Ausgestaltung durchzuführen.
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Die Erfindung stellt gemäß einer vierten Ausgestaltung auch ein Computerprogrammprodukt bereit, das ausführbaren Programmcode aufweist, der eingerichtet ist, um bei Ausführung durch eine Rechenvorrichtung das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der ersten Ausgestaltung durchzuführen.
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Die Erfindung stellt gemäß einer fünften Ausgestaltung auch einen Datenstrom bereit, der ausführbaren Programmcode aufweist oder eingerichtet ist, um diesen zu erzeugen, der eingerichtet ist, um bei Ausführung durch eine Rechenvorrichtung das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der ersten Ausgestaltung durchzuführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, noch detaillierter erläutert.
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Die beigefügten Zeichnungen sind umfasst, um ein tieferes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, und sind in die Beschreibung aufgenommen und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veranschaulichen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundsätze der Erfindung zu veranschaulichen. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres erkannt, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
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Die Nummerierung von Verfahrensschritten soll das Verständnis erleichtern und sollte nicht derart ausgelegt werden, dass die angegebenen Schritte gemäß der Nummerierung ihrer Bezugszeichen ausgeführt werden müssen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder implizit klar ist. Insbesondere können mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte gleichzeitig, überlappend oder nacheinander durchgeführt werden.
- 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV) gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt ein Beispiel einer Gesamtausgangsleistung, die von einem Hybridelektrofahrzeug (HEV) mit durch eine Batterie und einen Superkondensator gespeisten Elektromotor gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erzeugt wird;
- 3 und 4 zeigen Beispiele eines Aufbaus eines Elektromotors gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
- 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines weiteren detaillierten Aufbaus eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV) gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
- 6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, dass eine computerimplementiertes Verfahren gemäß der zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 7 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 8 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch ein Computerprogrammprodukt gemäß der vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt; und
- 9 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch eine Datenspeichermedium gemäß einer Ausführungsform der fünften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben worden sind, wird es einem Durchschnittsfachmann klar sein, dass eine Vielzahl von Alternativen und/oder äquivalenten Ausführungen bzw. Implementierungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen ist diese Anmeldung dazu vorgesehen, alle Anpassungen oder Variationen der hierin erläuterten spezifischen Ausführungsformen abzudecken.
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1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV) gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 1 gezeigt, kann das Hybridelektrofahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Elektromotor 102, eine Elektrofahrzeugbatterie 104, einen Superkondensator 106 und eine Motorsteuerung 108 umfassen. Darüber hinaus kann das Hybridfahrzeug ferner einen Verbrennungsmotor 110 und Wandler 112, 114 umfassen. Die Wandler können DC/AC-Wandler sein.
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Der Elektromotor 102 kann mit zwei Sätzen von Mehrphasen- (zum Beispiel Dreiphasen-) Wicklungen ausgestattet sein, die eingerichtet sind, um unabhängig voneinander durch zwei verschiedene Strompegel von jedem der beiden Sätze von Mehrphasenwicklungen gespeist zu werden.
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Insbesondere kann der Elektromotor 102 zwei Sätze von Stator-Dreiphasenwicklungen aufweisen, die räumlich durch einen gewissen Betrag an elektrischen Graden (zum Beispiel 30 oder 60 elektrische Grade) verschoben sind. Somit kann der Elektromotor 102 von zwei unabhängigen Stromquellen mit Strom versorgt werden, wie beispielsweise der Lithiumbatterie 104 und dem Superkondensatormodul 106. Der Elektromotor 102 kann auch als ein Mehrphasen-Doppelstator-Permanentmagneten-E-Motor bezeichnet werden.
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Der Elektromotor 102, der mit einer Steuerstrategie gekoppelt ist, kann ermöglichen, dass die Energie sowohl in der Batterie 104 als auch in dem Superkondensator 106 während Bremsphasen und durch den ICE 110 gespeichert und ausgeglichen wird, wenn der Motor bei niedrigen Werten der Kraftstoffeffizienz arbeitet, z.B. Lastpunktverschiebung.
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Detaillierte Strukturen bzw. Anordnungen des Elektromotors 102 werden mit 3 und 4 beschrieben.
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Eine Elektrofahrzeugbatterie (EVB, 104, im Folgenden als ‚Batterie‘ bezeichnet) kann verwendet werden, um Energie zu speichern und Leistung zum Betreiben des Elektromotors 102 des Hybridelektrofahrzeugs (HEV) bereitzustellen. Die Batterie 104 kann eine wiederaufladbare (Sekundär-) Batterie sein kann typischerweise eine Lithium-Ionen-Batterie sein. Insbesondere kann der Typ der Batterie 104 Lithium-Ionen und Lithium-Polymer sein, da diese Typen im Vergleich zu ihrem Gewicht eine hohe Energiedichte aufweisen. Die Batterie 104 kann speziell für eine hohe Amperestunden- (oder Kilowattstunden-) Kapazität ausgelegt sein.
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Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann die Batterie 104 mit einem ersten Satz dreiphasiger Wicklungen des Elektromotors 102 verbunden sein. Die Batterie 104 gemäß der Ausführungsform kann eine Batterie mit geringer Größe aufweisen.
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Ein Superkondensator 106 kann verwendet werden, um Energie zu speichern und um Leistung zum Betreiben des Elektromotors 102 bereitzustellen. Der Superkondensator 106, der auch als ein Ultrakondensator bezeichnet wird, kann ein Kondensator mit hoher Kapazität sein, dessen Kapazitätswert viel höher als bei anderen Kondensatoren ist, jedoch mit niedrigeren Spannungsgrenzen, der die Lücke zwischen Elektrolytkondensatoren und wiederaufladbaren Batterien überbrückt. Es speichert normalerweise 10 bis 100 Mal mehr Energie pro Volumeneinheit oder Masseneinheit als Elektrolytkondensatoren, kann Ladungen viel schneller als Batterien aufnehmen und abgeben und toleriert viel mehr Lade- und Entladezyklen als wiederaufladbare Batterien.
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Im Gegensatz zu gewöhnlichen Kondensatoren verwenden Superkondensatoren nicht das herkömmliche feste Dielektrikum, sondern elektrostatische Doppelschichtkapazität und elektrochemische Pseudokapazität, die beide zur Gesamtkapazität des Kondensators beitragen.
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Herkömmliche Kondensatoren (auch als elektrostatische Kondensatoren bekannt) wie Keramikkondensatoren und Filmkondensatoren bestehen aus zwei Elektroden, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind. Beim Laden wird die Energie in einem statischen elektrischen Feld gespeichert, das das Dielektrikum zwischen den Elektroden durchdringt. Die Gesamtenergie steigt mit der Menge der gespeicherten Ladung, die wiederum linear mit dem Potential (der Spannung) zwischen den Platten korreliert. Die maximale Potentialdifferenz zwischen den Platten (die maximale Spannung) ist durch die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums begrenzt. Der gleiche statische Speicher gilt auch für Elektrolytkondensatoren, bei denen der größte Teil des Potentials über der dünnen Oxidschicht der Anode abnimmt. Der etwas resistive flüssige Elektrolyt (Kathode) führt zu einer geringen Abnahme des Potentials für „nasse“ Elektrolytkondensatoren, während Elektrolytkondensatoren mit festem leitfähigem Polymerelektrolyten diesen Spannungsabfall vernachlässigbar machen.
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Im Gegensatz dazu kann der Superkondensator 106 aus zwei Elektroden bestehen, die durch eine ionenpermeable Membran (Separator) getrennt sind, und einem Elektrolyten, der beide Elektroden ionisch verbindet. Wenn die Elektroden durch eine angelegte Spannung polarisiert werden, bilden Ionen im Elektrolyten elektrische Doppelschichten mit entgegengesetzter Polarität zu der Polarität der Elektrode. Beispielsweise weisen positiv polarisierte Elektroden eine Schicht negativer Ionen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt zusammen mit einer ladungsausgleichenden Schicht positiver Ionen auf, die auf der negativen Schicht adsorbieren. Das Gegenteil gilt für die negativ polarisierte Elektrode.
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Zusätzlich können abhängig vom Elektrodenmaterial und der Oberflächenform einige Ionen die Doppelschicht durchdringen und spezifisch adsorbierte Ionen werden und mit Pseudokapazität zu der Gesamtkapazität des Superkondensators beitragen.
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Sowohl die elektrostatische als auch die elektrochemische Energiespeicherung in Superkondensatoren sind in Bezug auf die gespeicherte Ladung linear. Die Spannung zwischen den Kondensatoranschlüssen ist linear in Bezug auf die Menge der gespeicherten Energie. Ein solcher linearer Spannungsgradient unterscheidet sich von wiederaufladbaren elektrochemischen Batterien, bei denen die Spannung zwischen den Anschlüssen unabhängig von der Menge der gespeicherten Energie bleibt und eine relativ konstante Spannung liefert.
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Die Elektroden eines Superkondensators 106 sind im Allgemeinen dünne Beschichtungen, die auf einem leitenden metallischen Stromkollektor aufgebracht und mit diesen elektrisch verbunden sind. Elektroden müssen eine gute Leitfähigkeit, hohe Temperaturstabilität, chemische Langzeitstabilität (Inertheit), hohe Korrosionsbeständigkeit und große Oberflächen pro Volumen- und Masseneinheit aufweisen. Weitere Anforderungen sind Umweltfreundlichkeit und niedrige Kosten.
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Der Superkondensator 106 kann einen größeren Arbeitstemperaturbereich als die Batterie 104 aufweisen. Der Bereich der Arbeitstemperatur kann ein Temperaturbereich sein, der einen normalen Betrieb der Stromquelle garantiert. Der Superkondensator 106 kann eine höhere Leistungsdichte als die EVB aufweisen.
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Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann der Superkondensator 106 mit einem zweiten Satz von Dreiphasenwicklungen des Elektromotors 102 verbunden sein. Demzufolge können die zwei verschiedenen Stromquellen über verschiedene DC/DC- und DC/AC-Wandler mit dem Elektromotor 102 verbunden sein.
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Eine Motorsteuerung 108 kann verwendet werden, um den Elektromotor 102 zu steuern bzw. zu regeln. Die Motorsteuerung 108 kann nicht nur zum Ansteuern oder Zuführen von Energie von der Batterie 104 und/oder dem Superkondensator 106 verwendet werden, sondern auch zum Speichern von Energie in der Batterie 104 und/oder dem Superkondensator 106.
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Die Motorsteuerung 108 kann eine grundlegende Rolle beim Handhaben bzw. Steuern der unsymmetrischen Stromaufteilung zwischen den Dreiphasen-Wicklungssätzen und beim Koordinieren des Betriebs des Elektromotors 102 mit dem ICE 110 haben.
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Die Motorsteuerung 108 kann von einer elektronischen Steuereinheit (Electronic Control Unit - ECU) eines Fahrzeugs unterschieden werden. Alternativ kann die Motorsteuerung eine kombinierte Form mit der ECU aufweisen. In diesem Fall kann eine kombinierte Steuerung (auch als „integrierte Steuerung“ bezeichnet) sowohl als Motorsteuerung 108 als auch als ECU arbeiten. Eine ECU, auch als elektronisches Steuermodul (Electronic Control Module - ECM) bekannt, ist ein in die Automobilelektronik eingebettetes System, das eines oder mehrere der elektrischen Systeme oder Teilsysteme in einem Fahrzeug steuert.
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In einer Ausführungsform kann die Motorsteuerung eine Gesamtleistungsanforderung zwischen dem ICE 110 und dem Elektromotor 102 auf der Grundlage der Anforderung des Fahrers aufteilen. Die Gesamtleistungsaufteilung zwischen dem Elektromotor 102 und dem ICE 110 kann auf der Grundlage eines minimalen Kraftstoffverbrauchs während des Fahrens in der Stadt ausgeführt werden. Die Gesamtleistungsaufteilung zwischen dem Elektromotor 102 und dem ICE 110 kann auch auf der Grundlage der maximal möglichen Beschleunigung während harter Fahrmanöver ausgeführt werden, wenn der Fahrer die volle Leistung anfordert. Die geteilte Gesamtleistungsanforderung für den Elektromotor 102 kann als erforderliche Gesamtleistung für den Elektromotor 102 bezeichnet werden.
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Die Motorsteuerung 108 kann eine erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors 102 berechnen. Die erforderliche Gesamtleistung kann eine für den Elektromotor 102 angeforderte Leistungsmenge sein. Die erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors 102 kann auf der Grundlage einer Leistungsanforderung für den ICE 110 berechnet werden. Insbesondere kann die erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors 102 auf der Grundlage einer Differenz zwischen einer vom Fahrer angeforderten Leistung (Drehmoment) und einer für den ICE 110 angeforderten Leistung berechnet werden. Die von dem Fahrer angeforderte Leistung kann durch Aktivieren des Fahrpedals des Fahrzeugs erkannt werden.
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Die für den ICE 108 angeforderte Leistung kann durch eine Kapazität des ICE 108 oder ein verfügbares Drehmoment des ICE 108 bestimmt werden. Beispielsweise kann die erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors 102 derart eingerichtet sein, dass sie die von dem Fahrer angeforderte Leistung aus der maximalen Leistung des ICE 110 erreicht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann die Motorsteuerung 108 berechnen, dass die erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors 102 in einer Beschleunigungsphase größer als in einer Verzögerungsphase ist. Beispielsweise kann die Verzögerungsphase eine Segelphase sein.
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Die Motorsteuerung 108 kann ein Leistungsverteilungsverhältnis zwischen der Batterie 104 und dem Superkondensator 106 bestimmen. Das Leistungsverteilungsverhältnis kann auf der Grundlage eines Wirkungsgrades des Elektromotors 102 und/oder einer Leistungsverfügbarkeit von Stromquellen bestimmt werden, z.B. Batterie 104 und Superkondensator 106. Das heißt, die Stromaufteilungsstrategie kann den Strom zwischen den beiden Wicklungssätzen in Abhängigkeit vom Elektromotor 102 und der Leistungsverfügbarkeit von den Stromquellen teilen.
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Die Motorsteuerung 108 kann das Leistungsverteilungsverhältnis zwischen der Batterie 104 und dem Superkondensator 106 auf der Grundlage von zumindest einem aus einem Fahr- bzw. Antriebsmodus des Hybridfahrzeugs, einer Außentemperatur des Hybridfahrzeugs, einem Betrag der erforderlichen Gesamtleistung des Elektromotors 102, einem Betrag des erforderlichen Drehmoments von dem Fahrer und verbleibender Energie jeder der Lithiumbatterie 104 und des Superkondensatormoduls 106 bestimmen. Das von der Motorsteuerung 108 bestimmte Leistungsverteilungsverhältnis kann in Bezug auf Stromwerte definiert werden.
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Die Motorsteuerung 108 kann eine für den Elektromotor 102 optimierte Steuerstrategie sowohl hinsichtlich der Batterie 104 als auch des Superkondensators 106 aktivieren.
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Beispielsweise kann die Motorsteuerung 108 das Leistungsverteilungsverhältnis der Lithiumbatterie 104 zu dem Superkondensator 106 als kleiner bestimmen, wenn der Fahrmodus als „Sportmodus“ ausgewählt wird. Wenn ein Fahrmodus ausgewählt wird, der ein größeres Drehmoment erfordert, kann der Superkondensator 106 stärker beteiligt werden, um Leistung an den Elektromotor 102 bereitzustellen.
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Beispielsweise kann die Motorsteuerung 108 bestimmen, dass das Leistungsverteilungsverhältnis der Batterie 104 zu dem Superkondensator 106 kleiner ist, wenn die Außentemperatur des Hybridfahrzeugs abnimmt. Da der Superkondensator 106 einen größeren Arbeitstemperaturbereich aufweist, kann es bevorzugt sein, den Superkondensator 106 zu verwenden, wenn die Außentemperatur niedriger wird. Der Superkondensator 106 kann im Vergleich zu der EVB eine höhere Leistungsdichte aufweisen.
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Beispielsweise kann die Motorsteuerung 108 bestimmen, dass das Leistungsverteilungsverhältnis der Batterie 104 zu dem Superkondensator 106 kleiner ist, wenn der Gesamtbetrag des erforderlichen Drehmoments von dem Fahrer größer wird. Die Höhe des erforderlichen Drehmoments kann von der von dem Fahrer angeforderten Beschleunigung abhängen.
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Beispielsweise kann die Motorsteuerung bestimmen, dass das Leistungsverteilungsverhältnis der Batterie zu dem Superkondensator kleiner ist, wenn die verbleibende Energie der Batterie kleiner als der Superkondensator ist. Die verbleibende Energie kann eine Energiemenge sein, die in der Batterie 104 oder dem Superkondensator 106 verfügbar ist. Die Motorsteuerung kann das Leistungsverteilungsverhältnis der Batterie 104 zu dem Superkondensator 106 bestimmen, um die verbleibende Energie der Batterie 104 und des Superkondensators 106 auszugleichen.
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Zum Beispiel im Sportfahrmodus, wenn eine schnelle Beschleunigung/ein hohes Drehmoment erforderlich ist, arbeitet der Superkondensator im ersten Moment mehr und überlässt die Bühne dann der Niederspannungsbatterie als Stromquelle. Wie oben erwähnt, kann der Superkondensator 106 hauptsächlich zum Kaltstart verwendet werden. Wenn aufgrund seiner hohen Leistungsdichte und geringen Energiekapazität eine schnelle Beschleunigung und eine höhere Drehmomentrampe erforderlich sind, wirkt der Superkondensator meist während der ersten Beschleunigungsphase, danach ist die Batterie die elektrische Hauptstromversorgung.
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Die Motorsteuerung 108 kann während einer Bremsphase Energie in der Batterie 104 und dem Superkondensator 106 speichern. Die Motorsteuerung 108 kann Energie zumindest von einem der Batterie 104 und des Superkondensators 106 speichern, um die verbleibende Energie der Batterie 104 und des Superkondensators 106 auszugleichen. Wenn beispielsweise die verbleibende Energie der Batterie 104 niedriger als die des Superkondensators 106 ist, kann die Motorsteuerung 108 während einer Bremsphase Energie in der Batterie 104 speichern und umgekehrt. Alternativ kann die Motorsteuerung 108 die während einer Bremsphase erzeugte Energie in der Batterie 104 speichern, wenn die verbleibende Energie der Batterie 104 um einen vordefinierten Schwellenwert niedriger als die des Superkondensators 106 ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das kombinierte System aus Blei-Säure-Batterie und Anlasser entfernt werden, und daher kann eine bessere Baugruppe/Geräumigkeit in dem Motorraum sichergestellt werden. Darüber hinaus kann die Gesamtleistung des Fahrzeugs verbessert werden, da der Superkondensator leichter als eine Blei-Säure-Batterie ist. Zusätzlich kann die Motorsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung in Niederspannung betrieben werden und eine kompaktere Größe aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die MHEV-Lithiumbatterie durch Kombinieren mit einem Superkondensator durch einen Doppelstator-Elektromotor verkleinert werden, während eine verbesserte Leistung garantiert wird. Insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen kann das maximale Drehmoment des gesamten Antriebsstrangs verbessert werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Hybrid-Elektrofahrzeug einen größeren Arbeitstemperaturbereich und eine höhere Haltbarkeit aufweisen, indem ein Superkondensator angepasst wird.
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2 zeigt ein Beispiel der Gesamtausgangsleistung, die von einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) mit einem Elektromotor erzeugt wird, der von einer Batterie und einem Superkondensator gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gespeist wird.
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Wie in 2, Zeile 1 gezeigt, reicht in der Beschleunigungsphase das nur mit einem ICE während der Beschleunigungsphase zugeführte Drehmoment nicht aus, um das von dem Fahrer angeforderte Drehmoment zu erfüllen. Somit kann die Motorsteuerung 108 den Elektromotor 102 betreiben, um das Ausgangsdrehmoment durch Aktivieren der Batterie 104 und des Superkondensators 106 zu ergänzen.
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In 2 zeigt der Bereich zwischen den Linien 1 und 2 einen Bereich, der von einem Elektromotor 102 abgedeckt wird, der von einer Batterie 104 betrieben wird, und ein Bereich zwischen den Linien 2 und 3 zeigt einen Bereich an, der von einem Elektromotor 102 abgedeckt wird, der von einem Superkondensator 106 betrieben wird. Linie 3 von 2 zeigt das insgesamt vom ICE 110 und vom Elektromotor 102 zugeführte Drehmoment.
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Beispielsweise übt der Fahrer einen großen Druck auf das Gaspedal aus, die Motorsteuerung 108 kann den Motorstatus (verfügbare Motordrehzahl und verfügbares Drehmoment) überprüfen und wenn sie die erforderliche Leistung nicht in der erforderlichen Zeit erfüllen kann, kann die Motorsteuerung 108 die zusätzlichen Stromquellen aktivieren. Es können das kürzeste und stärkste Feedback mit dem Superkondensator 106 und dauerhaftere und unterstützende Wirkungen von der Batterie 104 erreicht werden. Die Motorsteuerung 108 kann auch die zwei Ströme zu dem Stator dynamisch ausgleichen, und dann können die Solldrehmomente erzeugt werden.
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Beispielsweise verhält sich das Auto beim Segeln und Bremsen während eines Verzögerns wie ein verbessertes Mild-Hybrid-System, bei dem die Batterie 104 und der Superkondensator 106 unter verschiedenen Bremsbedingungen Energie zurückgewinnen können. Der Superkondensator 106 kann am besten zum schnellen Verzögern geeignet sein, und der Li-Ionen-Akku kann zum längerem Verzögerungsbremsen geeignet sein.
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3 und 4 zeigen Beispiele eines Aufbaus eines Elektromotors gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 3 gezeigt, kann der Elektromotor 102 eine Doppel-Dreiphasen-Induktionsmaschine sein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Mehrphasen-Elektromotor durch zwei Sätze von Dreiphasenwicklungen realisiert werden, wodurch zwei um 30 oder 60 elektrische Grad verschobene Magnetfelder mit isolierten Neutralpunkten erzeugt werden. Dies ermöglicht es, die Gleichstromquellen getrennt zu halten, während die zugehörigen erzeugten Magnetfelder gekoppelt werden, was zu einem kombinierten elektrischen und mechanischen Drehmoment führt.
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In dem Elektromotor 102 können verschiedene Anordnungen zur Wicklungsverteilung ausgeführt werden. Das heißt, die zwei dreiphasigen Sätze von Statorwicklungen sind in demselben Schlitz mit der richtigen Verteilung der Polpaare realisiert.
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Wie in 4 gezeigt, ist eine nicht überlappende konzentrierte Wicklung an den Elektromotor 102 angepasst. Eine nicht überlappende konzentrierte Wicklung ist eine mögliche Statoranordnung. Jede Wicklung wird um einen Zahn gedreht. Die Wicklungen sind in Reihe oder parallel geschaltet, um einzelne Phasenwicklungen A, B und C eines Dreiphasenmotors zu erzeugen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der geringen Gegeninduktivität zwischen Teilsystemen. Gegeninduktivitäten zwischen Teilsystemen können dazu beitragen, das Motorverhalten bei einigen Fehlern zu verbessern.
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Die zweite mögliche Statorwicklungsanordnung ist die verteilte Wicklung. Die Wicklung ist in mehrere Ankerschlitze unterteilt. Ein Ankerschlitz kann unter Verwendung dieser Anordnung Wicklungen unterschiedlicher Phasen oder sogar Wicklungen unterschiedlicher Teilsysteme enthalten. Die Gegeninduktivitäten zwischen den Phasen können im Vergleich zu einer nicht überlappenden konzentrierten Wicklungsanordnung höher sein. Die verteilte Wicklung kann in mehrere Teilsysteme unterteilt werden, um mehrere Dreiphasensysteme zu bilden. Mehrere Dreiphasensysteme können mit verschiedenen Verfahren erzeugt werden.
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5 zeigt ein schematisches Diagramm eines weiteren detaillierten Aufbaus eines Hybrid-Elektrofahrzeugs (HEV) gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 5 gezeigt, kann ein Hybrid-Elektrofahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Elektromotor 102, eine Batterie 104, einen Superkondensator 108, eine Motorsteuerung 108 und eine elektronische Steuereinheit 502 umfassen.
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Die Batterie 104 und der Superkondensator 106 können eine Form von Modulen sein.
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Die Motorsteuerung 108 kann eine übergeordnete Steuerung 504, Wechselrichter 506, 508 und DC/DC-Wandler 510, 512 umfassen.
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Die übergeordnete Steuerung 502 kann eine ICE-Leistungsanforderung (Drehmomentanforderung) von der ECU 502 empfangen und eine Elektromotor-Leistungsanforderung berechnen. Basierend auf der Leistungsanforderung des Elektromotors kann die übergeordnete Steuerung 502 die Stromaufteilungsstrategie 514 anpassen, um eine Superkondensator-Stromanforderung bzw. eine Batterie-Stromanforderung zu erlangen.
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Gemäß der Superkondensator-Stromanforderung und der Batterie-Stromanforderung können die Wechselrichter 506, 508 einen Superkondensatorstrom und einen Batteriestrom an den Elektromotor 102 zuführen. Daher kann der Elektromotor 102 betrieben werden, um die Leistungsanforderung des Elektromotors auszugeben.
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6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, das ein computerimplementiertes Verfahren gemäß der zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt.
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In Schritt S62 kann die Motorsteuerung 108 eine erforderliche Gesamtleistung des Elektromotors 102, der mit zwei Sätzen von Mehrphasenwicklungen ausgestattet ist, die derart eingerichtet sind, dass sie unabhängig voneinander von zwei verschiedenen Strompegeln aus jedem der beiden Sätze von Mehrphasenwicklungen gespeist werden, auf der Grundlage einer Leistungsanforderung für den ICE 110 berechnen.
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In Schritt S64 kann die Motorsteuerung 108 ein Leistungsverteilungsverhältnis zwischen einer Elektrofahrzeugbatterie (EVB) 104, die mit einem der beiden Sätze von Dreiphasenwicklungen verbunden ist, und dem Superkondensator 106, der mit dem anderen der beiden Sätze von Drei-Wicklungen verbunden ist, bestimmen. Der Superkondensator 106 kann einen größeren Arbeitstemperaturbereich als die EVB 104 aufweisen.
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In Schritt S66 kann die Motorsteuerung 108 die erforderliche Gesamtleistung von der EVB 104 und dem Superkondensator 106 gemäß dem bestimmten Leistungsverteilungsverhältnis an den Elektromotor 102bereitstellen.
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7 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt. Insbesondere ist die Motorsteuerung 108 eingerichtet, um das Verfahren gemäß einer beliebigen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchzuführen, insbesondere das Verfahren, wie es oben in Bezug auf 1 bis 6 beschrieben wurde.
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Die Motorsteuerung 108 weist eine Eingangsschnittstelle 110 zum Empfangen eines Eingangssignals 71 auf. Die Eingangsschnittstelle 100 kann in Hard- und/oder Software realisiert sein und kann drahtlose oder drahtgebundene Kommunikation verwenden. Beispielsweise kann die Eingangsschnittstelle 110 einen Ethernet-Adapter, eine Antenne, ein Glasfaserkabel, einen Funk-Transceiver und/oder dergleichen aufweisen.
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Die Motorsteuerung 108 weist ferner eine Computervorrichtung 120 auf, die eingerichtet ist, um die Schritte S62 bis S64 auszuführen. Die Computervorrichtung 120 kann insbesondere eine oder mehrere Zentraleinheiten, CPUs, eine oder mehrere Grafikprozessoren, GPUs, eine oder mehrere feldprogrammierbare Gate-Arrays-FPGAs, eine oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASICs und/oder dergleichen zum Ausführen von Programmcode aufweisen. Die Computervorrichtung 120 kann auch eine nichtflüchtige Datenspeichereinheit zum Speichern von Programmcode und/oder Eingaben und/oder Ausgaben sowie einen Arbeitsspeicher, z.B. RAM, und Schnittstellen zwischen den verschiedenen Komponenten und Modulen aufweisen.
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Die Motorsteuerung 108 kann ferner eine Ausgangsschnittstelle 140 aufweisen, die eingerichtet ist, um ein Ausgangssignal 72 auszugeben, beispielsweise wie dies in Bezug auf Schritt S66 oben beschrieben wurde. Das Ausgangssignal 72 kann die Form eines elektronischen Signals als ein Steuersignal für eine Anzeigevorrichtung 200 zum visuellen Anzeigen der semantischen Beziehung, als ein Steuersignal für eine Audiovorrichtung zum Anzeigen der bestimmten semantischen Beziehung als Audio und/oder dergleichen aufweisen. Eine solche Anzeigevorrichtung 200, eine Audiovorrichtung oder eine andere Ausgabevorrichtung kann auch in die Motorsteuerung 108 selbst integriert sein.
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8 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch ein Computerprogrammprodukt gemäß einer Ausführungsform der vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt, d.h. ein Computerprogrammprodukt 300, das einen ausführbaren Programmcode 350 aufweist, der eingerichtet ist, wenn er (z.B. durch die Motorsteuerung 108) ausgeführt wird, das Verfahren gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung durchzuführen, insbesondere das Verfahren, wie es in Bezug auf 1 bis 6 oben beschrieben wurde.
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9 zeigt ein schematisches Blockdiagramm, das ein nichtflüchtiges computerlesbares Datenspeichermedium 400 gemäß einer Ausführungsform der fünften der vorliegenden Erfindung darstellt, d.h. ein Datenspeichermedium 400, das einen ausführbaren Programmcode 450 aufweist, der eingerichtet ist, wenn er (z.B. durch die Motorsteuerung 108) ausgeführt wird, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen, insbesondere das Verfahren, wie es in Bezug auf 1 bis 6 oben beschrieben wurde.
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In der vorstehenden detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale in den Beispielen zusammengefasst, um die Offenbarung zu vereinfachen. Es versteht sich, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht einschränkend sein soll. Es ist beabsichtigt, dass alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalenz abgedeckt sind. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann nach Durchsicht der obigen Beschreibung unter Berücksichtigung der verschiedenen Variationen, Modifikationen und Optionen, wie sie oben beschrieben oder vorgeschlagen wurden, klar werden.
