JP2011520675A - 電気式トラクションシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

動力交換ユニット(PXU)が、PTOポートを介して車両の既存の手動トランスミッションに結合される。電動モータ発電機がPXUに結合される。バッテリーが、電力を供給して車両を推進するためにモータ発電機に電気的に結合される。制御ユニットが、モータ発電機およびバッテリーに結合され、かつ車両の動作を第1のモードと第2のモードとで切り替えるように構成され、第1のモードでは、車両の内燃機関が車両を推進し、第2のモードでは、モータ発電機が車両をモータ駆動モードで推進する。

Description

本出願は、2008年3月19日に出願された米国仮出願第61/037,851号に対する優先権の利益を主張するものである。本出願は、以下の出願、すなわち2006年3月14日に出願された米国仮出願第11/374,709号、2006年11月10日に出願された米国仮出願第11/558,786号、2008年4月1日に出願された米国仮出願第12/060,368号の一部継続出願である。これらの出願はすべて、引用によって本明細書に組み込まれる。

本出願は、車両の電気式推進システムすなわちトラクションシステムに関し、そのようなシステムの組み込み設置を含む。

好ましい実施形態についての以下の詳細な説明では、本発明を実施することのできる実施形態を示す添付の図面を参照する。他の実施形態を利用することができ、かつ本発明の範囲から逸脱せずに変更を加えることができることを理解されたい。図面および詳細な説明は、開示される特定の形態に本発明を限定するものではない。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲内のすべての変形実施形態、均等物、および代替物を対象としている。本明細書の見出しは、いかなる点でも主題を限定するものではない。

本発明は、一形態では、特に、連邦政府による排出ガス規制を目的とした、3,000,000台を超える米国のトラックからなる現在の全クラス8大型車両(HDV)に適用できる推移方法を使用可能にする、より頑丈な構成の、車両のトランスミッションのアクセスポート(動力取り出しポート(「PTOポート」))とも呼ばれる)を使用する。すなわち、一形態では、本発明の組み込みシステムは、HDVに適用可能であり、かつ実世界の制約内で排出ガスおよび燃料消費量を削減する10〜15年のライフサイクルを有する。このことは、既存のトラックの様々な劣化する部材に適合されるだけでなく、これらのトラックの、経済的な問題のある所有構造にも適合される方法および技術によって実現される。

本発明の一実施形態では、組み込み構成は、i)ICEが従来のPTOポートからコントローラを介して、追加された電動トラクションモータ-発電機(ETMG)に電力を供給し、それによってETMGを発電機として機械的に駆動して電荷を発生させて大型バッテリーに蓄積する内燃機関(ICE)モードと、ii)ICEが遮断され、バッテリーからの蓄積された電荷が(コントローラおよび同じETMGを通して)送り返され、それによってETMGをモータとして電気的に駆動し、同じPTOポートに機械的動力を供給して車両を独立に推進する電動トラクションモータモード(または単に「ET」モード)の両方での動作を単一の走行セッションにおいて可能にする従来のHDV用に設けられる。他の形態では、コントローラは、走行およびバッテリー条件に応じてHDVをICEモードとETモードとで自動的に切り替えるように構成される。たとえば、本発明の実施形態では、コントローラは、HDVを自動的にETモードで始動し、車両の速度が、たとえば、車両に対する荷重に応じて15〜30MPHの範囲であってよいある上限に達したことに応じてHDVを自動的にICEモードに切り替える。したがって、コントローラは、やはりHDVの速度が限界よりも低くなったことに応じて自動的にHDVモードからETモードに切り替わる。この自動的な切り替えは、単一の走行セッション中に何度も行うことができる。

本明細書では、「トラクション」との用語は「推進」との用語と同じ意味で使用されることがある。

本明細書で使用される「走行セッション」との用語は、出発点から到着点までの走行を指し、往復走行を含んでよい。たとえば、ロサンゼルス港地域におけるデイトラックの場合、これには、たとえば運送業者の操車場での車両の始動、港までの道路の走行、港での積み込み(一列に並んだ長時間ののろのろ運転を含めてよい)のための待機、港からの出発、受け渡し点までの道路の走行、操車場への帰還のような、1日の走行を含めてよい。(もちろん、最初の、操車場から積み込み点までの道路の走行、次の、港までの走行、港での積み降ろしのための待機、港からの出発、受け渡し点までの道路の走行、操車場への帰還を含んでもよい。)港までの走行を含めなくてもよく、また、1日における港までの複数回の走行を含めてもよい。複数の積み込み点および複数の受け渡し点を1日に含めてよい。

各図中の同じ参照符号は同じ部材を示す。

車両上に設置された電気式トラクションシステムの実施形態を有する車両の走行試験結果のグラフである。 車両上に設置された電気式トラクションシステムの実施形態を有する車両の走行試験結果のグラフである。 車両のシステム構成部材のブロック図である。 本発明の開示される実施形態のシステム構成部材のブロック図である。 開示される実施形態のシステム構成部材のブロック図である。 開示される実施形態のブラケットの図である。 開示される実施形態のブラケットの図である。 開示される実施形態のブラケットの図である。 開示される実施形態のブラケットの図である。 開示されるシステム構成部材のブロック図である。 開示される実施形態で使用される方法ステップの流れ図である。 開示される実施形態で使用される状態の状態図である。 本発明の実施形態による、車両に組み込みを行う方法ステップの流れ図である。

次に、図1Aおよび図1Bを参照すると、本発明の実施形態に関する試験データが示されている。この試験データは、デイトラック(たとえば、ロサンゼルス地域のデイトラック)の走行サイクルを表す走行サイクルに従って走行した、ETシステムを搭載したHDVによって生成されたものである。図1Aは、「トラクションなし」試験の試験データを示している。図1Bは、50,000ポンドの総車両重量を有するトラックのデータを示している。

本発明の実施形態は、従来のPTOの代わりに動力交換ユニット(PXU)を利用する。このPXUは、本明細書で説明する経済的に問題のある所有構造に対処する構成における本明細書で説明する広範囲の目的のために、様々なトラック上の従来のトランスミッションにETMGを組み込むのを可能にするのに寄与する。PXUの設計は、1つには、既存のHDトラックの走行サイクルに生じる速度およびトルクの要件および制限に関する発見に部分的に基づく。HDデイトラックの走行サイクルの研究は、PXUの設計に寄与するだけでなく、本発明の組み込みETMGおよびバッテリーの選択も可能にしており、かつ組み込み電気式トラクションシステムおよび方法の制御論理に関する特定のアルゴリズムおよび制約の開発を助けている。このアルゴリズムは、トラックをいつETMGを介して電気的に駆動するか、バッテリーを再充電するにはETMGをいつどのくらいの充電率で機械的に駆動すればよいか、ETモードとICEモードをいつ自動的に切り替えるか、切り替えをどのように行うかを制御する。

本発明の一実施形態におけるHDVの道路走行サイクル要件によれば、トランスミッションは大型手動トランスミッションであり、トラックは、従来の道路走行サイクルに従って、ETモードではかなりの距離および一連の道路走行速度にわたってETMGによって推進され、したがって、運転者は必要に応じて、ETモード走行セッションの間道路速度を実現するように手動トランスミッションをシフトする。このことは、一実施形態では、クラッチの利点なしにPXUを介してETMGをトランスミッション入力に接続することができるにもかかわらず実現され、これに対して、従来のICE駆動構成では、車両の従来のICE/トランスミッションクラッチを介してICEを瞬間的にトランスミッションから外してギアをシフトすることができる。さらに、本発明の実施形態の一形態では、ETモードで、すなわち、通常HDV推進源を瞬間的に切り離すのに使用されるクラッチを使用せずに、大型手動トランスミッションのギアをシフトするにはどうすればよいかに関する構造および方法に関して問題が発見され対処されている。

前述のように、非常に特定的な問題に対処するが、広範囲の道路走行問題には対処しない組み込みシステムが公知である。本発明の上述の構成に対して、現在の道路走行条件のためのハイブリッド電動車両(HEV)は、たとえば動力共有および自動シフトに関する相手先商標製品製造(OEM)で特別に設計されるトランスミッションのように、本来HEV動作向けに製造される傾向がある。通常、このような特別の自動トランスミッションは、電動モータとICEの両方に必要なすべてのギアを一体的に含み、場合によっては電動モータ自体、すなわちトランスミッションケース内に取り付けられた電動モータを含む。OEM HEVはまた、通常かなり長時間にわたって電動モータとICEを同時に動作させる。

前述のように、本発明の実施形態によれば、劣化する部材の性質だけでなく、前述の問題のある所有構造にも対処する技術がさらに適用される。一方、何年も前からHDV排出ガスが問題になっており、主要なトラック製造業者は引き続き、排出ガスをほぼ許容されるレベルまで削減するICEベースのトラックを販売している。この従来の解決手段では、化石燃料消費量はそれほど削減されておらず、クラス8 HDVはより高価になっている。しかし、既存のクラス8 HDV所有構造には、約700,000〜900,000の独立の所有者/経営者が含まれる。トラック産業のこの所有構造は、主として、クラス8 HDVの寿命が長いことによる既に所有されているHDVのために依然として存続しかつ成長している。大部分の独立トラック業者は、125,000ドル以上かかる新しい排出ガス規制準拠HDVを単に購入することができないだけである。より排出ガスの少ない新しいディーゼルHDVのある見積もり額は126,000ドルである。液体天然ガス駆動HDVのある見積もり額は184,000ドルである。300万台を超える既存のクラス8 HDVトラックの約4分の1が1993年式以前の車両であることに留意されたい。現在のトラックを交換するには5000億ドル以上かかる。したがって、政府による高額の補助金なしに新しい排出ガス規制準拠HDVを短期間で必要とされる場合、これらの所有者/経営者は仕事ができなくなる。この問題に対処するために、本発明の実施形態によって組み込みETシステムが提供される。

次に、図2を参照すると、相手先商標製品製造によるHDV 202が示されている。車両202は、クラッチ206によってICE 208に結合されたトランスミッション204を含んでいる。ギアシフトレバー210は、トランスミッション204のギアボックス(不図示)に連結されている(不図示)。クラッチペダル212は、クラッチ206をつないだり外したりするために運転者によって操作される。車両202を操縦するステアリングホイール214も示されている。車両202の電気式システム218は、ICE 208によって駆動されるオルタネータ(不図示)によって再充電される12ボルトバッテリー216から電力を供給される。補助システム220もICE 208によって駆動される。

次に図3を参照すると、本発明の実施形態によるETシステムを組み込んだ図2のHDVのブロック図が示されている。トランスミッション204、クラッチ206、ICE 208、ギアシフト210、クラッチペダル212、ステアリングホイール214、バッテリー216、および電気式システム218は、図2に示されている通りである。動力交換ユニット("PXU") 304は、PTOポート302(本明細書では「トランスミッションアクセスポート」とも呼ばれる)を介してトランスミッション204の分配歯車(図3には示さず)に結合されている。ETMG 306は、ETMG 306の軸を介してPXU 304に機械的に結合されている。ETMG 306の電気的接続部は整流器/インバータ308に接続されており、整流器/インバータ308が、ETMG 306が発電機として動作するようにPXU 304によって駆動されるときにETMG 306の電気出力を変換してバッテリーパック310を充電する。ETMG 306がモータとして動作するとき、整流器/インバータ308は、バッテリーパック310の蓄積された電気エネルギーを変換してETMG 306を駆動し、ETMG 306がPXU 304を機械的に駆動し、トランスミッション204の分配歯車を介して車両202を推進する。バッテリーパック310は、本発明の実施形態ではAltair Nanotechnology 15KWh 300〜400 VDCであってよい。

ETMG モータモードであるか発電機モードであるかにかかわらず同速
本発明の実施形態によれば、ETシステムは、(工場で変更することのできる)一定の歯車比のPXUを介してトランスミッションに結合されたETMGを含んでおり、ETMGとPXUの1つまたは複数の歯車との間にクラッチは配置されておらず、ETMGはほぼ同じ速度範囲にわたって発電機およびモータとして働く。たとえば、本発明の一実施形態では、ETシステムは、UQMモデルSR218/DD45-400LWB永久磁石モータ-発電機およびドライバ-インバータを含む。UQMモータ-発電機は、機械力/電力変換と電力/機械力変換の両方について約0〜4000rpmの範囲で動作する。他の実施形態では、誘導モータ-発電機が設けられる。

モータ速度-トルク曲線
本発明の実施形態は、ICEによって推進される8 HDVにバッテリー、制御システム、PXU、およびETMGを搭載し、電動モータを介して、適切な動力をPTOポートを通して適切なPXU歯車比で供給してICEの性能特性、すなわち走行感を近似することを含み、電動モータは、道路走行の大部分に適した速度範囲にわたって単一の推進を実施し、電気式駆動速度の上限は、HDVの載荷重によって決まる。本明細書で説明する本発明の実施形態では、電気のみによる推進の速度は、トラクション車両がない場合の最高約30MPHと、車両が満載である場合の最高約15〜20MPHとを含む(速度および電気走行範囲は、より大型の電動モータおよびバッテリーを使用することによって拡張される。)。この構成は、バッテリーが適切な蓄積容量を有し、かつ発電モードにおいて、ETMGが、デイトラックの通常の走行サイクル要件を維持するように走行セッション中にバッテリーを十分に再充電できるような適切な再充電率に耐えられるように行われる。

上記のすべての特徴が、バッテリーが耐えられる深再充電サイクル数と共に作用して、既存のクラス8以下のHDVトラックに安価にかつ効果的に組み込むこともできるシステムが構成される。すなわち、いくつかの低コストの形態において、組み込みシステムについては、場合によっては排出ガス削減問題も考慮せずに、燃費の低減のみに基づいて妥当な期間内に元が取れる。このことにもある種の経済的な価値がある。

本発明の実験によって、ETシステムのETMGは、トルクが最初は比較的高く、かつRPM範囲全体にわたって比較的一定であるような比較的平坦なトルク曲線を有することが望ましいことが分かっている。このトルク特性によって、トラクション駆動モータシステムがファン、ポンプなどに使用される他のシステムから分離される。PXU出力速度によって、トランスミッションは典型的な軸速度で動作し、したがって、オペレータは、従来のトランスミッションギアボックス手動シフトパターンを変更しなくてもETシステムを利用することができる。このため、他の場合にはもっと広い、PXU用の歯車比の選択に関する選択範囲を制限することができる。言い換えれば、PXU出力は、ICEがトランスミッションにトルクを入力するときにICEの走行感を模倣する釣り合いのとれた状態でトランスミッション入力を実現し、しかも製造業者によって指定される制限を含むことがあるトランスミッションならびにETMGおよびPXU速度ならびにトルクの制限内で実現する。

PXUは、工場で変更することのできる大きな歯車比を有し、かつ速度とトルクの両方の定格が高い。

本発明の実施形態では、動力を効果的に、ICEモードでICEからトランスミッションを通してバッテリーまで移し、次にETモードでバッテリーからトランスミッションに戻すことが重要である。そのため、工場で変更することのできる適切な歯車比を適切な速度およびトルク取り扱い機能と共に有するトランスミッションのインタフェースが設けられている。

本発明の研究では、比較的平坦な速度-トルク曲線にもかかわらず、米国の既存のHDVの場合、本発明の実施形態によって、モータ駆動のための一方向に動作するときは(すなわちETモードでは)ETMGトルクを増大する歯車を選択し、一方、発電のための逆方向に動作するときは(すなわち、ICEモードでは)ETMG速度を上昇させる歯車を選択するための機構が依然して必要であることがあることが分かっている。本発明の実験では、モータ駆動についてはETMGトルクを増大する歯車を選択し、発電については速度を上昇させる歯車を選択する市販のPTOがあることが分かっているが、所望の速度トルク比を実現するのに十分な大きさの歯車比を有する市販のPTOは見つかっていない。さらに、最大トルクと最大速度定格の適切な組合せを提供する市販のPTOは見つかっていない。RPM限界についての定格がより高いそのような市販のPTOは、本発明の必要なトルク限界に対処するように設計されておらず、一方、ETモードにおける必要な最大トルク入力に適した市販のPTOは、歯車比が低過ぎてICEモードにおける必要な出力RPMを実現しない傾向がある。本発明の実験および分析では、ETMG軸とトランスミッションの入力上の分配歯車の軸、すなわちPTOポートを介してアクセスすることのできる歯車との速度比は、2.0:1〜2.5:1の範囲である場合に有効であることが分かっている。本発明の実施形態では、PXUは、この範囲内の一定の歯車比を有し、かつ最大トルク限界が500ft-lb以上で最高速度限界が5000RPM以上であり、米国の既存のクラス8 HDVトラックの大部分に適合する。本発明の他の実施形態では、PXUは、同じ目的で最大トルク限界が550ft-lb以上で最高速度限界が4500RPM以上である。米国のクラス8 HDVトラックにおける限られた数のトランスミッションが735ft-lbのトルクを必要とし、かつ4500RPM機能を有することに留意されたい。

PXUは、トランスミッションアクセスポートに結合されるポートと、ETMGに結合されるポートとを有している。本発明の他の実施形態では、PXUは、一方のポートで最高速度の2分の1の速度で最大トルクを受け、他方のポートから最大トルクの2分の1のトルクで最高速度を生成することができる。逆の内容についても同様である。

実験として、市販のPTOを必要な歯車比に調整するベルトシステムを組み立てて、このシステムを試験した。このような構成は、機械力をETMGからトランスミッションに供給し、かつトランスミッションからETMGに供給する場合にうまく作用するが、重量が大きく、同じ機能を実現する歯車装置よりも動作効率が低い。効率の低さは、システム内のあらゆるエネルギー伝達全体によって増大され、全体的な性能および効率が損なわれる。

次に図4を参照すると、ETMG 306およびICEに連結されたトランスミッション204に関する本発明の実施形態によるPXU 304の細部が示されている。HDVトランスミッション204から動力交換ユニット304(PXU)を通して伝達される機械エネルギーは、電気エネルギーに変換され、ETバッテリーパック(図3では310)に蓄積され、同じまたは以後の走行サイクルで使用される。バッテリーパック310からのエネルギーは、PXU 304に連結されたモータ306軸を通して電位状態から機械的運動状態に戻される。本実施形態では、0〜4500RPMの範囲にわたって177ft-lbのトルクを発生させ、このRPM範囲にわたって比較的一定したトルク出力を発生させることのできる、軽量、低容積、および低コストの比較的小形のモータが選択される。

次に機械回転エネルギーにとして伝達される蓄積電力は、この実施形態では、トランスミッション製造業者の仕様に従って、177ft-lbの最大トルクが最大で325ft-lbのトルクに変換され、一方、4500RPMの最大入力RPMを最大で2,000RPMに抑えるように、歯車を相互交換させるように設計されたPXU 304を通過する。相互交換歯車機能S-02-Aは、ETMG最大トルク出力仕様をわずかに変更するだけで550ft-lbまたは735ft-lbのトルクのようなより高いトルクへの推移を可能にし、一方2000RPMの最大出力を維持する。

PXU 304からの回転エネルギーは、上述の出力制限に従って、PXU 304インタフェース歯車を通してHDVトランスミッション204に伝達され、さらにトランスミッション204平歯車に伝達され、定められた速度範囲内で従来のディーゼルエンジン動作の性能特性と同様の性能特性によって車両を推進する。

ETモードでもICEモードでも、選択された条件の間、ETMG 306は、回生負荷をPXU 304に加え、それによってICEまたは移動するHDVの運動量からの機械エネルギーをHDVトランスミッション204から送り、PXU 304を通してETMG 306軸に戻す。この実施形態では、最大で325ft-lbでありかつ最高で2000RPMであるトランスミッションからの動力が、最大トルクが177 ft-lbであり、かつ最高で4,500RPMの動力に変換される。このようなトルク定格およびRPM範囲は、本発明の動力生成に適しており、公知の走行サイクルに基づいて、15分以下の期間でETバッテリーを完全に充電することができる。

取り付けブラケット
PTOは、単純にトランスミッションPTOポートに直接ボルト留めすることができる。しかし、本システムのPXUは従来のPTOよりも高いトルクを発生させ、かつトルク定格がより高いので、従来の取り付け構成は適切でない場合がある。PXUはまた、発電機モードでトランスミッションに入力され、モータ駆動モードでトランスミッションから出力されるトルクも発生させる。したがって、本発明の実施形態では、専用のPXUが、図5A〜図5Dに示されているようにトランスミッションハウジングの追加的な位置にボルト留めされた一体的なブラケットを有している。これによって、トランスミッションハウジングのより広い領域にわたって力が分散される。別個の動力伝達装置およびU字形ボルト継手は、たわみおよび振動の補正と位置合わせの補正を可能にする。

次に図5Aを参照すると、PXUブレースの側面図に、このPXU実施形態に関する詳細およびOEMトランスミッションとの関係が詳しく示されている。図5Aは、トランスミッション204構成に対する典型的なICE 208の図であり、この場合、クラッチ206は通常、ICE 208とトランスミッション208との間に配置され、駆動軸230は通常、トランスミッション204の後部から後部ディファレンシャル240まで走行する。

この実施形態では、大型トランスミッションアクセスポート302に取り付けられたPXU 304がトランスミッション204の下部にボルト留めされている。本明細書で説明する高トルク用途のため、本実施形態は「欠けU字」(broken-U)形ブレース502(「ブラケット」とも呼ばれる)を含んでいる。この実施形態では、ブレース502の各側は、トランスミッションアクセスポート302および取り付けられたPXU 304に、わずかに長い取り付けボルト504によってボルト留めされている。同様に、このブラケット502の頂端部は、わずかに長い油タンクボルト506によってトランスミッション204にボルト留めされている。

このような構成は、PXUブレース502が、通常トランスミッション油タンク510によって保持される応力の一部をトランスミッション204ハウジング520に送るのを可能にし、したがって、トランスミッション油タンク510に対する応力を低下させ、金属疲労による応力破壊を防止する。

図5Bは、典型的な設置で向きを定められたPXUブレース502の後部から見た図である。図5Cは、ブラケット502のみの側面図である。

図5Dは、トランスミッション204、トランスミッション油タンク510、およびPXU 304に関するPXUブレース502の切り欠き脊面図である。

コントローラ
次に図3に戻ると、本発明の実施形態の電気式トラクション関連システム(たとえば、本発明の実施形態の一形態では、既存の車両202に追加された組み込みシステムを含む)は、モータコントローラ316(本明細書では集合的に「コントローラ」312または「ETコントローラ」または「ETシステムコントローラ」と呼ばれ、OEM ICEおよび補助システムコントローラと区別される)に結合されたプログラム可能な車両一体モジュール(VIM)314を含んでいる。ETコントローラ312は、OEM ICE CANNバスシステムに結合され、車両の状態に関する情報を取り込む。

ETコントローラ312の一部であるモータコントローラ316は、ETMGおよび各補助システムモータ、たとえば、原動機ETMG 306、パワーブレーキ用のエアコンプレッサモータ、パワーステアリング用の油圧ポンプモータ、A/Cコンプレッサモータ用の独立のインバータおよびコントローラを有している。インバータは、推進バッテリー310からDC300〜400Vの電力を受け、パルス幅変調された3相AC230Vを被駆動モータに出力する。各インバータはモータ速度を制御することができる。さらに、コントローラは、車両202用の従来の12V電源システムに電力を供給し、従来の12Vバッテリー216の充電を維持するのに使用される12Vボード構成部材319(本明細書では「電源」とも呼ばれる)を有している。コントローラ312の一体モジュール部314は、すべての電気式トラクション関連システム機能を制御し、必要に応じてのみ、必要な出力で任意の所与の時間に各機能を作用させる。

システムは、コントローラ312が、いくつかをICANNバスから読み取ることのできる入力に応答する所定の論理に従って、車両202にICEモードからETモードに切り替えさせるための自動切り替え機能を有している。本発明の実施形態では、入力には、バッテリー充電状態(「SOC」)、エンジン速度、アクセルペダル位置、車両の載荷重、地理的位置データ、ギアシフトボタン状態、モード選択ボタンまたはスイッチ状態、ハンドル位置センサ、点火キー状態、クラッチアクチュエータ限界スイッチ状態、コンプレッサ要求信号を含む空調入力、およびブレーキ空気圧が含まれる。出力には、モータトルク要求、ICEアクセル位置、クラッチアクチュエータ有効化および方向、キー無効化リレー、始動有効化リレー、パワーステアリング制御、A/C制御、冷却制御、アラーム制御、ユーザインタフェース/ゲージドライバ、ICEオフrpmインジケータ(シフトタイミング用)、ならびにブレーキ空気圧コンプレッサ制御が含まれる。

クラッチアクチュエータ
コントローラは、12Vウォーム駆動フィードを使用してICEクラッチ206をつないだり外したりすることができる。クラッチをつながれても、ユーザはそれを手動で外すことができる。一方向に作動が開始すると、目標限界スイッチが作動するまで継続する。入力:ソフトウェアからのトラクションモード、両走行端部における入力限界スイッチ(2つのデジタルスイッチ)。出力:方向を制御する12Vリレー、オン/オフ用の12Vリレー。

アクセルペダル
動作:アクセルペダルをOEM ICE ECUから切り離す。HEV ECUは、ペダルセンサ位置を測定し、適切な信号をICE ECUおよびトラクションモータコントローラに送信する。コントローラへの入力:アクセルペダルセンサPWM信号。コントローラからの出力:ICE ECUへのPWM信号、トラクションモータ制御に対するCANメッセージ

始動ボタン
動作:STARTボタンと並列に配置されたリレー。リレーは、STARTボタンを介してオペレータコマンドとは独立にSTARTを作動させることができる。ボタンを押さずにICEをオンにするのを可能にする。コントローラへの入力:J17081エンジン速度。出力:始動信号を作動させるリレー。

点火キー
動作:点火キーと直列に配置されたリレー(NC)。リレーは、点火キーとは無関係に車両をオフにすることができる。HEVコントローラへのキー入力は、リレーの前に検知される。キーがオンである間ICEをオフにしておくのを可能にする。点火キーをオフにすると、ETモードとICEモードの両方が無効化される。リレーを開くと、ICEが無効化/遮断される。コントローラへの入力:ET/ICEモードソフトウェア。出力:リレー信号。

ギアシフトボタン
動作:ギアをシフトする際にボタンを押す。電動モータに対するトルクを制限する。ETモードのときにユーザがギアをシフトする速度を制御するのを可能にする。回生を無効化し、ICEが通常通りにギアをシフトするのを可能にする。コントローラへの入力:シフトレバーに対するボタン。出力:トラクションモータ制御に対するCANメッセージ、ICE ECUへのペダル位置出力。

ET/ICEモード変更通知機構/アラーム
動作:ICEをオンまたはオフに切り替える前にアラームが発せられる。コントローラへの入力:ET/ICEモードソフトウェア。出力:周期的に発せられるアラームに対する信号(〜2Hz)。

本明細書で説明する制御回路およびコントローラが、メモリおよびプロセッサを有する1つまたは複数のプログラム可能な装置であってよく、前述の論理プロセスが、メモリに記憶されたプログラム命令によって決定され、すなわち、プロセスが、プロセッサによってメモリから命令を読み取って実行することによって実現されることを理解されたい。

ICEモードからETモードに切り替える際、コントローラは、アクチュエータに数秒の時間間隔にわたってトラックの従来のクラッチ(ICEとトランスミッションとの間)をつながせる信号を送信する。この時間間隔は、トランスミッション速度をモータ速度に一致させて歯車同士が衝突するのを避けるのを可能にする。この場合、コントローラは、ICEを遮断するリレーを通電または通電解除する。クラッチを自動的につなぎかつ外すのが必要になるのは、ETとICEまたはICEとETの切り替えが行われるときだけである。ETモードになると、クラッチは使用されない。ICEモードでは、クラッチが従来と同様に使用される。

ETモードでの走行
運転者はアクセルペダルを介してETMGを制御することができる。というのは、前述の組み込みシステムの一部として位置センサが追加されており、この位置センサがコントローラに信号を送信するように構成されているからである。信号は、ある意味でアクセルペダルの位置に比例している。

一実施形態では、信号の大きさは位置に比例する。一実施形態では、信号は、様々な位置を示すデジタル情報を含んでいる。他の実施形態では、コントローラは、SAE J1843に従う既存のペダルセンサを読み取る。ワイヤによるICEへの駆動も、SAE J1843信号をICE電子制御モジュール(ECMまたはICE ECM)に出力することによって実施される。

運転者がペダルを放し、ペダルが零トルク要求出力位置として事前に決定されたある点を越えた場合、コントローラは、ペダルの位置が零トルク位置を下回ったことに応じてETMGに発電を開始させる。これは、回生制動の一形態であり、すなわち、ある意味でペダル位置に比例して減速および発電が行われる。このように、ETモードはICEと同様に作用し、運転者の入力に応じて車両を加速するかあるいは車両を「ジェーク制動」する。

運転者は、ギアをシフトすると共に、ギアシフタ上のボタンを押す。ETモードでは、このボタンによって、コントローラがETMGを制御するうえでのアクセルペダルに対する応答の仕方が変化し、それによって、ETモードでのシフトがICEのシフトと同様に感じられる。より具体的には、このボタンに応答して、コントローラはアクセルペダル位置に対するその応答を減衰させ、それによって、運転者は、ETMGがモータとして車両を推進しているかそれとも発電機として電力を再生しているかにかかわらず、ペダルを介してETMG速度をより微細に制御することができる。したがって、ETMGは、オペレータがアクセルを踏む力をある程度弱めたときにICEによる減速と同様に減速させる。ETMGでは、オペレータがギアを低速に切り替えるときに適切な速度まで回転速度を上昇させるのがより容易である。これらの処置を施すことによって、オペレータはETMGを次のギアに概ね適切なrpm範囲に設定し、ICEのシフトと同様にギアをシフトすることができる(HDV運転者は、ICEの場合に第1のギアで始動した後ギアをシフトするのにクラッチを使用しない傾向がある。)。

ICEモードへの切り替え
トラックは次に、ICEモードに切り替える条件として指定された所定の条件をコントローラが検出するようなときまでET動力下で走行する。そのような条件の1つは、コントローラによって検出される車両速度が、コントローラのメモリにプログラムされている所定の速度を超えることである。

この所定の速度は、本発明の実施形態において、トラクションを行う場合は約15mphであり、トラクションを行わない場合は約30mphであり、バッテリーSOCが低い場合にはこれよりも低い速度になる。本発明の試験によって、少なくとも本明細書で開示される電気式トラクション構成によれば、この速度を超えると、多くの場合、電力はICE動力よりも燃料効率が悪くなることが分かっている。ETシステムは、エネルギーをある形態から別の形態に変換するので、エネルギーを発生させて将来使用できるように蓄積するよりも直接使用した方が効率的である。ETシステムは、バッテリーおよびETMGの効率に依存して、特にアイドリング時および低トルクまたは低速時にディーゼルの非効率性を補償する。

ハイブリッド車両では、結局、ETモード用のすべてのエネルギーがICEから得られる。概して、初期動作の前に配電網から得られるエネルギーを除いて、あらゆる段階で効率が失われる。ICEを動作させる際にも非効率が生じる(いわゆるアイドリング損失、すなわち比較的一定の損失)。出願人は、分析および試験によって、アイドリング時および低トルクまたは低速時には、ETシステムを動作させる際の非効率はICEの場合のアイドリング損失よりも低く、したがって、ETモードは、アイドリング時および低トルクまたは低速時に動作することによってエネルギー消費量の正味節約を実現することを知った。

コントローラがICEモードに切り替わる他の条件は、ETバッテリーが事前に設定された低充電状態に達したことをコントローラが検出することである。

コントローラがICEモードに切り替わる他の条件は、(アクセルペダルを介して)運転者が要求するトルク出力をETMG(ETMGは、もちろんETモードでモータ駆動を行っている)によって連続的に供給することができないために、コントローラによって検出されるETMG電流が、コントローラのメモリにプログラムされている所定の限界を超えることである(本明細書で説明する様々な制御文脈におけるモータトルクの代わりにモータ電流を測定できることを理解されたい。)。

コントローラが車両にICE動力に切り替えさせる直前に、コントローラは、運転室内の可聴装置を通電させて運転者に切り替えを通知する信号を送信する。コントローラは、ETモードからICEモードに切り替える際、まずICEを始動し、ICEは、ETシステムクラッチアクチュエータによって解除位置に保持されるクラッチによってトランスミッションから外されるため自由に回転することができる。次に、「ワイヤによる駆動」インタフェース(本実施形態ではJ1843)がスロットルを制御し、ICEの回転速度を、トランスミッション入力に固定されたクラッチフライホイールのRPMに厳密に一致するRPMまで上昇させる。より具体的には、本発明のETシステムのパイロット装置は、車両の従来のスロットルリンケージ(たとえば、スロットルケーブル、アクセルペダルなど)に結合され、コントローラによって出力された制御信号を受信する。コントローラは、ICEの回転を監視する速度センサから車両通信バス(J1708またはJ1939)を介して信号を受信し、かつ測定されたICE RPMをトランスミッションクラッチフライホイールのRPMと相関付ける情報によってプログラムされている。(ICE RPMがどこで測定されるかに応じて、トランスミッションクラッチフライホイールRPMとICE RPMが1:1に対応することがあることに留意されたい。)コントローラは、スロットルリンケージ出力信号を調整して、ICEの回転をトランスミッション入力の回転と一致するようにETMGの回転を調整する。コントローラは、アクセルペダルからの入力を処理し、ETMGコントローラおよびICE ECMに適切なあらゆる値を送信する。

上記の動作が実行された後、コントローラは、クラッチアクチュエータに信号を送信して、アクチュエータにクラッチをゆっくりとつながせる。この文脈の「ゆっくりと」は、本発明の一実施形態では0.5〜10秒を指す。次に、コントローラは、スロットルの制御を1秒かけて滑らかに運転者に移し、引き続き走行条件を検出する。

ICEモードでは、システムは、走行条件を評価し、ICEが効率的に動作することができるかあるいは追加的な荷重によってICEがより効率的に動作する所定の条件に応じてETMGの再充電率を選択する。このような条件の下では、コントローラは、バッテリーの充電状態に応じて、ETMGへの回生トルクコマンドを増大させ、電流の生成量を増やし、すなわちバッテリー充電率を高めるためにETMGにPXUに負荷をかけさせる。

ETバッテリー充電状態に応じて生成/充電率を選択することは、一実施形態では、バッテリー充電状態が低いほど高い充電率を選択することを含む。たとえば、選択される充電率はバッテリー放電状態に比例してよい。追加的な負荷によってICEがより効率的に動作するかどうかに応じて生成/充電率を選択することは、一実施形態では、ICEトルクが低いほど高い充電率を選択することを含む。これは、ディーゼルICEが、トルクが高いほど効率的になる傾向があるためである。

ICEエンジン負荷百分率は、車両バス(SAE J1708またはJ1939)に沿って送信される。本発明の実施形態では、回生電流はバッテリーSOCの関数である。一実施形態では、様々なトルクがそれぞれの異なるSOC帯域で指示される。回生電流はエンジン負荷百分率の関数であってよい(上述の通り)。回生電流はエンジンRPMの関数であってよい。エンジンは、わずかにより効率的であり、そのRPM半の上部中央でより高い有効トルクを有する。わずかに効率的であるとは、追加的な入力燃料に対する追加的な出力動力を意味する。

コントローラは、生成率の1つの決定因子としてかつバッテリーをどれだけ充電すればよいかに関する検討事項として車両速度も使用する。トラックがより速い速度で移動する例では、コントローラは、バッテリーを完全に充電するのにICE動力を使用しないことを選択することができる。この代わりに、コントローラは、車両が減速することを予想して、バッテリーにある程度の「余裕」を残し、すなわちバッテリーを完全には充電しないある状態まで充電することを選択し、したがって、車両を減速しなければならないときに回生制動によって電力が捕捉されバッテリーに蓄積される可能性が高いことを利用することができる。本発明の一実施形態では、コントローラは、所定の速度よりも高い車両速度の関数として、完全には充電されない充電レベルを選択する。一実施形態では、この関数は比例関数である。

本発明の一実施形態では、コントローラは、監視サブシステムのGPSシステムから位置信号を受信し、検出された車両位置と、コントローラのメモリにプログラムされた所定の1つまたは複数の位置との比較に応じてバッテリー充電率を選択する。これは、いくつかの地理的領域には、ICEアイドリングが許可されないかあるいは厳格に制限される中間準備地域用の公知の位置(たとえば、ロサンゼルス港)があり、したがって、これらの地域ではより長い間隔にわたってET動作モードが要求されるからである。より具体的には、一実施形態では、コントローラはi)その現在の位置から、ETに必要とされる中間準備地域までの距離を求め、ii)GPSからの一連の位置信号に基づく方位を算出するかあるいは単に、GPSが算出した方位を受信し、iii)現在の方位に基づいて、ETに必要とされる所定の中間準備地域までの走行時間を算出し、iv)所与のバッテリー充電状態について、算出された走行時間の間にバッテリーを完全に充電するのに必要な必要充電率を求め、v)iv)で求められた必要充電率でバッテリーを充電を開始する。

ETシステムは、「トラクションなし」状況および「トラクションあり」状況用のモードを含む、複数の動作モードを含むことができる。トレーラを有さない(「トラクションなし」)かあるいは積み荷のないトレーラを有する動作期間の間、ETシステムは、重い荷重を引くときよりも高い速度までの加速時に効率的に動作することができる。研究によって、一般的なデイトラック走行サイクルタイムの40%は低荷重条件または無荷重条件下であり、より高い動作速度の範囲内でETモードを利用することが望ましいことが分かった。本発明の様々な実施形態では、コントローラは、手動入力信号に応答して、あるいはトレーラの受信機(5番目の車輪)に接続された歪みゲージを監視することによって自動的に、ICE動作モードとET動作モードを切り替える速度を選択する。システムは、切り替え点を任意の特定の荷重に対する効率を最大化するように調整することのできるより高度な動作モードを有するように構成することもできる。一実施形態では、これはデータ分析を使用して行われ、この場合、トラックは、特定のギアにおける測定された動力出力での速度Xから速度Yまでの時間を測定する。この制御では、ある公式を使用して、車両の荷重が算出され、それに応じてET/ICE切り替え設定点、たとえば速度、トルク、SOCなどが調整される。

コントローラによって他の動作モードを容易にすることもできる。「ポートモード」のような特殊な動作モードは、手動で作動させることも、コントローラがGPSから供給される位置情報を監視することによって自動的に作動させることもできる。特殊なモードでは、より限られた性能特性を強化するか、あるいはバッテリー充電レベルが非常に低い状況のようなある種の極端な状況を除いて、ICEの始動を無効化することができる。ETシステムは、故障の場合に無効化することができる。

次に図6を参照すると、従来の車両は、ペダル602に接続されペダル位置を検知するセンサ606からの電気信号に応答して従来のICEコントローラ604によって生成される信号604_Sを介して(あるいは図示されていない、ICEとのある種の機械的リンケージを介して)ICE速度を調整するのに運転者が従来用いているアクセルペダル602を有している。本発明の実施形態によれば、オリジナルアクセルペダルセンサ606は、従来のICEコントローラ604に加えてあるいはその代わりにコントローラ312に接続される。オリジナルセンサ606が従来のICEコントローラ604の代わりにコントローラ312に接続されている場合、コントローラ312は、ペダルセンサ606からの信号を少なくとも選択的に従来のコントローラ604に送信する。あるいは、アクセルペダル602に他のセンサ(不図示)が追加され、その場合、この新しいセンサが本発明のコントローラ312と通信する。

コントローラ312は、コントローラ604から従来のICE速度-トルク調節信号604_Sを受信し、コントローラ312が従来の信号604_Sに少なくとも部分的に応答し、すなわち、少なくとも何度か応答して生成するICEへのコントローラ312自体の信号312_S_ICEでICE速度-トルク調節信号604_Sを置き換える。コントローラ312は同様の信号312_S_ETも生成し、この信号が、速度およびETMGがモータ駆動モードで供給するトルクを調節しかつETMGが発電モードで行う発電を調節するようにETMGを制御する駆動装置に伝達される(本明細書では、ETMGへの312_S_ET信号の伝達を参照することができることに留意されたい。これによって全体的な動作の説明が簡略化される。信号が実際にはETMGの駆動装置に伝達されることを理解されたい。)。

コントローラ312は、本明細書では「ペダル応答モード」と呼ばれ、本明細書の他の個所に記載されているようにコントローラ312が動作条件に応じて自動的に選択し切り替える制御構成を有している。任意の所与の時間に、コントローラ312は、その時間に有効であるペダル応答モードに少なくとも部分的に応じて信号312_S_ETおよび312_S_ICEを生成する。

本発明の実施形態によれば、コントローラ312は、アクセルペダルが0%から約33%までの範囲で踏み込まれた場合、この範囲のペダル位置がコントローラ312によって回生範囲内であるとみなされるように、アクセルペダル602の位置を解釈する。次の7.5%では、すなわち、アクセルペダルが33%よりもわずかに大きい値から約40.5%までの範囲で踏み込まれた場合、この範囲のペダル位置は、コントローラ312によって不感帯範囲内であるとみなされる。アクセルペダルが約40.5%から100%までの範囲で踏み込まれた場合、この範囲のペダル位置は、コントローラ312によってアクセル範囲内であるとみなされる。

コントローラ312は、本発明の実施形態によれば、車両のICE手動トランスミッションギアボックスのギアシフトレバー622に追加されている押しボタン620からの信号も受信する。運転者は、ボタン622を使用してギアをシフトするときにコントローラ312に発信することができる。コントローラ312は、本明細書の他の個所に記載されているようにそのペダル応答モードを変更することによってボタン622からの信号に応答し、車両のシフト性能を、ETMGが追加されているにもかかわらず、より従来の方法に近いように振る舞わせ、かつ車両に対するETMGの対応する効果を制御する。すなわち、ETMGは、車両がICEモードで動作しているときは発電を行うことができ、あるいは車両がETモードで動作しているときには単独の車両推進源(モータとして)となることができる。しかし、車両がどんな動作モードであるかにかかわらず、コントローラ312は、ボタン622からの運転者の信号に応答して処置を施し、車両のシフト性能を、ETMGが追加されているにもかかわらず、より従来のICEの方法に近いように振る舞わせ、すなわち、好ましい実施形態では大型の、たとえばクラス7またはクラス8のディーゼルトラックのように振る舞わせる。

次に図7を参照すると、本発明の実施形態によって車両の電気式トラクションおよびICE動作を制御するアルゴリズム700が示されている。702でアルゴリズム700が開始される。このことには、運転者または管理者が、所与の走行セッションの動作条件を反映するようにコントローラ312(図6)を初期設定することが含まれる。たとえば、車両は、ある走行セッションでは、満載のトレーラ、たとえば総車両重量が80,000ポンドのトレーラをトラクションして動作することができる。他の走行セッションでは、車両は、トラクションを行わずに、すなわちトレーラを連結せずに動作することができる。他の走行セッションでは、車両はトレーラをトラクションして動作するが、トレーラが満載ではない状態で動作することができる。702でのアルゴリズムの開始には、コントローラ312が運転者または管理者に表示するかあるいは他の方法で示すメニューで選択することなどによって、コントローラ312に上記のような動作条件を伝達することが含まれる。

次に、運転者は、704で手動で点火キーをオンにする。コントローラ312(図6)は、このことに応答して、706で実際のバッテリー充電状態を読み取り、所定の充電状態と比較する。コントローラ312は、車両速度およびICEから動力伝達装置に供給されているトルクも読み取る。

コントローラ312は、速度、トルク、およびバッテリー充電状態が限界内であると706で判定した場合、701で、たとえば特徴的な音声を生じさせて、車両が電気式トラクションモードに入ることを運転者に警告することのできる信号をICEキャブ内の装置に生成させ、さらにETペダルモード状態を選択し、それによって、コントローラ312は、ETペダルモード状態に関する本明細書の他の個所に記載された制御構成に従って、センサZZZからコントローラ312に伝達されるアクセルペダル位置に対する応答を開始する。

次に、コントローラ312は、712で所定の時間間隔、たとえば1秒だけ待機し、716でICEへの点火信号を無効化し、718でICEクラッチを外すようにICEクラッチアクチュエータに信号を発する。次に、コントローラ312は、720で所定の時間間隔、たとえば2.2秒だけ待機し、次に722でクラッチ位置を読み取って、クラッチが現在外れているかどうか確認する。クラッチが外れていない場合、コントローラ312は724の例外状態に分岐する。(本発明の一実施形態では、コントローラ312は、例外状態724についてのICE動作の734に分岐する。)クラッチが外れている場合、コントローラ312は、726で電気式トラクションモータ駆動モードでETMGを通電する。すなわち、この状態では、車両は、車両推進すなわち「トラクション」バッテリーから供給されるETMG電力によって推進される。

728で、コントローラ312は、手動無効化スイッチの状態を検査し、運転者がICEモードに切り替えるようにコントローラ312に手動で指示しているかどうかを判定する。切り替えを指示している場合、コントローラ312は、ICE動作の734に分岐する。ここでは728に手動無効化が示されているが、本発明の実施形態では、728でのこの検査および分岐をET動作モード中の任意の時間に実施できることを理解されたい。本発明の他の実施形態では、ブロック728の手動無効化機能は、オペレータからアクセスできないか、あるいはいっさい搭載されない。一実施形態では、この機能を港のようなある地理的ゾーンでのみ有効化することができ、GPS信号がコントローラ312に入力されたことに応じて有効化される。

次に、730で、コントローラ312は、車両の速度、ETMG(モータとして動作している)から車両に供給されているトルク、およびバッテリー充電状態を読み取る。速度、トルク、およびバッテリー充電状態が限界内である場合、コントロー312は、726で引き続きETMGをモータ駆動し、728で手動無効化に関する検査を行い、730で速度、トルク、および充電状態を検査する(ET動作時には、コントローラ312およびそれによって制御される装置は、本明細書の他の個所に記載されているように、結果的にギアをシフトさせる運転者による処置によって生じる信号を含む、手動トランスミッションのギアシフトによって生じる信号に応答する。)。

本発明の一実施形態では、所定の限界には、満載車両の場合には車両速度が18MPHよりも低く、トルクが150ft.lbよりも小さく、充電状態が40%を超え、トラクションなしの場合には車両速度が40MPHよりも低く、トルクが150ft.lbよりも小さく、充電状態が30%を超えることが含まれる。

本発明の一実施形態では、所定の限界には、ICE動作が許容されず、高充電状態が必要になるゾーンに車両が向かっていることをGPSまたは運転者の入力が示すことが含まれる。

730で、速度、トルク、または充電状態によって、ICEモードが必要であることが示される(あるいは728で手動無効化がICEモードを示す)と、コントローラ312は、734から始まり、たとえばICEキャブの中のデバイスに特徴的な音声を生じさせて、車両がちょうどICEモードに入ることを運転者に警告することのできる信号を生成することを含むICE動作に分岐する。コントローラ312は、736で所定の時間間隔、たとえば1秒だけ待機した後、738でICE点火を有効化してICE始動装置を通電する。次に、コントローラ312は、742で実際のICE回転速度(RPM)を読み取り、所定の時間間隔内の所定の速度と比較し、それによって、コントローラは742で、ICEが首尾よく始動しており、すなわち実際のICE速度が、所定の時間、たとえば1秒以内に所定の速度、たとえば500RPMを超えることを、ICEの実際の速度が示しているかどうかを判定する。所定の時間間隔内に所定の速度を超えない場合、コントローラ312は例外状態744に分岐する。所定の時間間隔内に所定の速度を超える場合、コントローラ312は、748でICE始動装置の通電を解除し、次に750で所定の時間間隔、たとえば0.5秒だけ待機する。

本発明の実施形態によれば、コントローラ312は、次に752で同期ペダルモード状態を選択し、この状態では、コントローラ312が、従来のアクセルペダルセンサに応答して生じるICEへの従来の制御信号を一次的に無効化し(あるいはアクセルペダルからICEまでのリンケージを無効化し)、優先的にICEの回転速度を所定の速度(RPM)、1200RPMまで上昇させて、ICE速度をトランスミッションの入力速度に同期させるのを助ける。

次に756で、コントローラ312は、実際のICE回転速度(RPM)を読み取り、実際のトランスミッション入力速度を読み取るかあるいは算出し、これらの速度を所定の時間間隔にわたって比較し、それによって、コントローラは756で、実際のICE速度が少なくとも所定の時間間隔、たとえば0.2秒だけトランスミッション速度を超えたかどうかを判定する。所定の時間間隔だけトランスミッション速度を超えていない場合、コントローラ312は758の例外に分岐する。所定の時間間隔だけトランスミッション速度を超えている場合、コントローラ312は分岐し、760でICEクラッチアクチュエータに信号を送りクラッチをつなぐよう指示する。次に、コントローラ312は、762で所定の時間間隔、たとえば0.5秒だけ待機し、次に764で、融合ペダルモード状態に関する本明細書の他の個所に記載された制御構成に従ってアクセルペダル位置に対する応答を一時的に開始する。

コントローラ312は、768で実際のクラッチ位置も読み取り、ICEクラッチがまだつながれているかどうかを判定する。つながれていない場合、コントローラ312は、ある所定の時間後に、770の例外状態に分岐する。つながれている場合、この状態では、車両がICEによって推進されている。さらに、コントローラ312は、768で現在クラッチがつながれていると判定すると、本明細書の他の個所に記載された回生ペダルモードまたはブーストペダルモードの一方を選択しそれに切り替える。(ICE動作の間、コントローラ312およびそれに制御される装置は、本明細書の他の個所に記載されているように、結果的にギアをシフトさせる運転者による処置によって生じる信号を含む、手動トランスミッションのギアシフトによって生じる信号に応答する。)

次に776で、コントローラ312は、車両の速度、ICEから車両に供給されているトルク、およびバッテリー充電状態を読み取る。速度、トルク、およびバッテリー充電状態が、ETモードが望ましいかあるいは可能であることを示す限界外である(すなわち、ブロック776における問いに対する答えがいいえである)場合、コントローラ312は、772でICEを引き続き動作させ、776で速度、トルク、および充電状態の検査を繰り返す。

速度、トルク、およびバッテリー充電状態が、ETモードが望ましいかあるいは可能であることを示す限界内である(すなわち、ブロック776における問いに対する答えがはいである)場合、コントローラ312はブロック710に分岐してETモードへの切り替えを開始する。本発明の実施形態では、所定の限界は、既に決定ブロック730に関連して既に述べた通りである。

ここではICEモードからETモードへの切り替えを手動で生じさせる手動無効化が示されていないが、本発明の実施形態では、コントローラ312が、論理ブロック728の論理機能と同様にこの論理機能を含み、運転者からの手動無効化信号を連続的にまたは頻繁に監視し、それによって、コントローラ312が、ICE動作モード中に手動無効化が生じたときにはいつでもそれに応答することを理解されたい。本発明の他の実施形態では、手動無効化機能は、オペレータからアクセスできないか、あるいはいっさい搭載されない。一実施形態では、この機能を港のようなある地理的ゾーンでのみ有効化することができ、GPS信号がコントローラ312に入力されたことに応じて有効化される。

上記のことから、本発明の実施形態では、車両が、車両を同時並行的に推進するICEとET車両の両方によって動作するのは短時間に過ぎず、すなわち、このことが、ICEモードからETモードに推移するときと、ETモードからICEモードに推移するときに行われ、場合によっては、推進バッテリーが過充電された場合にのみ行われることを理解されたい。

前述のように、任意の所与の時間に、コントローラ312は、その時間に有効であるペダル応答モードに少なくとも部分的に応じて信号312_S_ETおよび312_S_ICEを生成する。やはり前述のように、コントローラ312は、ペダル変位がより小さい第1の範囲がコントローラ312によって回生範囲内であるとみなされるように、アクセルペダル602の位置を解釈することができる。ペダル変位がより大きい上範囲では、ペダル位置はアクセル位置とみなされる。回生変位範囲とアクセル変位範囲の中間の範囲では、ペダル位置は、コントローラ312によって不感帯範囲内であるとみなされる。以下に、上述のペダル応答モードをある程度詳しく説明し、これらのモードをシステムモードに関係付ける表を示す。

モード表
次に図8を参照すると、本発明の実施形態によるコントローラ312ならびにそれに関連するセンサおよびそれに制御される装置のシステムモードに関し、システムモードをペダル応答モードに関係付ける状態図800が示されている。(本明細書では、「モード」は「制御状態」または単に「状態」とも呼ばれる。)システムの状態は、車両の始動時に初期モード802で開始する。上記で図6で説明したように、バッテリーが適切な充電状態を有するかどうかに応じて、始動時の次の状態はETモード806または同期モード810である。コントローラ312は、(コントローラ312に結合された装置を介して)車両をET動作モード806に切り替え、コントローラが、図7で説明したようにETMGをモータとして動作するように通電することが好ましい(図8に示されているようにET動作モード状態806は、モード表に記載されたペダル応答モードETに対応する。)。

モード表中のETモードを参照すると、本発明の上述の実施形態で最初にこのモード806に推移すると、コントローラ312が、アクセル範囲内の基準ペダル位置信号/10に比例する312_S_ICE信号の値をICEに伝達し、一方、ETMG に伝達される312_S_ETの値が基準ペダル位置信号に比例することが分かる(しかし、図7のブロック716を参照して、ET動作モード806ではコントローラ312によって早い時期にICE点火が無効化されることに留意されたい。)。表は、ETモードへの「推移」に関してもこの特徴を引用している。もちろん、ICEへの信号312_S_ICEは、ICE点火が無効化されると無効になる。

ETモードで基準ペダル位置に比例する信号312_S_ETを生成する理由はもちろん、運転者がモータ(加速)および発電機(回生制動)としてのETMGを介して加速および減速を制御するのを可能にするためである。アクセル範囲内の基準ペダル位置信号/10に比例する312_S_ICEを生成する理由は、モード間で途切れのない切り替えを行うのを可能にするためである。すなわち、モード間でより途切れの少ない切り替えを行うのを可能にするためである。すなわち、クラッチが外れたときに、ペダル入力に比例してICEコントローラへの信号値を小さくし、一方、ペダル入力に比例してETMGへの信号値を大きくする。これによって、運転者は、運動量を失ったり、ICEの回転速度を過度に上昇させたりせずに、動力伝達装置への変化するトルク入力を直感的に調整することができる。ペダル入力に応答しないICE rpmの上昇を検出し、したがって、クラッチが外れていることを示し、かつICEを直ちに停止するよう信号によって指示するRPM検出アルゴリズムを使用することもできる。

具体的な例を挙げると、運転者が、アクセルペダル602をたとえばアクセル範囲内になるように踏み込んだ場合、ICEに送信される信号312_S_ICEの値は、アクセルペダル範囲内のペダル602の位置を10で割った値に比例する。さらに具体的には、上記で説明したペダル範囲の場合、ペダル602が、たとえば全範囲の約60%まで踏み込まれた場合、これはアクセル範囲の約20%であり、したがって、コントローラ312が生成してICEに送信する信号312_S_JCEの値は20%/10=2%である。

一方、ETに送信される信号312_S_ETの値は、既に指摘したように基準ペダル位置信号に比例する。したがって、ペダル602が全範囲の約60%、すなわちアクセル範囲の約20%まで踏み込まれた所与の例では、コントローラ312がこれに応答して生成してETMGに送信する信号312_S_ETの値は、車両を推進するETMGモータトルクの20%が必要である。

他の例では、ETモード806において、ペダルが全範囲の約16%、すなわち回生範囲の約50%まで踏み込まれた場合、コントローラ312がこれに応答して生成してETMGに送信する信号312_S_ETの値は、推進バッテリーを再充電するETMG発電機トルクの50%が必要である。しかし、この回生トルクはすべて車両の運動量から得なければならず、あるいは実際には回生に利用できるトルクはない。コントローラ312が生成してICEに送信する信号312_S_ICEが、回生範囲および不感帯範囲内のペダル602のあらゆる位置について0%であることに留意されたい。

ETモードでのギアのシフト
ETモード806になると、運転者は、加速を行い、手動トランスミッションギアボックスのギアを手動でシフトすることができる。前述のように、運転者はボタン622を押し、ギアをシフトしようとしていることを信号によってコントローラ312に伝える。コントローラ312は、この信号を受信したことに応じて、モード表中の同じ名前のペダル応答モードに対応するギアシフトET状態818に切り替える。

モード表中のギアシフトETモードを参照すると、コントローラ312がギアシフトET状態818でETMGに伝達する信号312_S_ETの値は、ペダルがアクセル範囲内である場合は、基準ペダル位置信号を4で割った値に比例し、ペダルが回生範囲内である場合は、基準ペダル位置信号を16で割った値に比例することが分かる。これは、ギアシフト同期モード822に関して本明細書で説明した理由である。

ギアシフトETモード818では、コントローラ312が、アクセル範囲内の基準ペダル位置信号/10に比例する信号312_S_ICEの値をICEに伝達することにも留意されたい。この信号はETモードでは無効である。

コントローラ312が312_S_ET信号に関してこのように構成されているのは2つの理由による。第1に、ペダル602がアクセル範囲であり、それによってETMGからの推進トルクが必要である(モータ駆動)ことを示している場合、ギアボックスのギアがニュートラルにシフトされると、ETMGはトランスミッションによる負荷から解放される。ETMGは、トルク要求信号312_S_ETが減衰されない場合、この信号に応答してETMGの回転速度を迅速に高速に上昇させる傾向がある。第2に、ペダル602が回生範囲内であり、それによってETMGからの発電トルクが必要である(発電)ことを示している場合、ETMGは、ギアボックスのギアをニュートラルにシフトすることによってトランスミッション入力がトランスミッション出力から切り離された後トランスミッション入力を迅速に減速する傾向がある。いずれの傾向も、トランスミッションを次の所望のギアに入れるのを困難にする効果がある。これは、この場合も、減衰されないトルク要求信号Z10_S_ETに対するETMGの応答がディーゼルエンジンにおける通常の応答よりもずっと高速であることによる。

したがって、具体的な例をあげると、運転者が、アクセルペダル602をたとえばアクセル範囲の20%になるように踏み込んだ場合、コントローラ312が生成してETMGに送信する信号312_S_ETの値は、20%/4=5%であり、したがって、車両を推進するのにETMGモータトルクの5%が必要であり、コントローラ312が生成してICEに送信する信号312_S_ICEの値は、車両を推進するのにICEトルクの20%/10=2%が必要であることを示す(既に図7の716で論じたように、ICE点火がまだ無効化されていない場合)。

運転者が、アクセルペダル602をたとえば回生範囲の20%になるように踏み込んだ場合、コントローラ312が生成してETMGに送信する信号312_S_ETの値は、20%/16=1.25%であり、したがって、トランスミッションがギア間に位置する間にETMGの回転速度を低下させるのにETMG発電機トルクの1.25%が必要である。

ギアシフトボタン622を放すとギアシフトET状態が終了する。運転者が、シフタを次のギア位置に入れると、ギアシフトに関するボタンを放し、基準ペダル位置の信号値に従ってETMGから得られる全トルクまたは回生を利用可能にし、トラックを推進または減速する。

本発明の他の実施形態では、ギアシフトET状態818において、コントローラ312は、わずかな回生信号をETMGに伝達する。この信号は、ETMGにET駆動システムをわずかに減速させて、ICEがシフト時に示すわずかの減速を開始する(わずかな回生信号が、通常平歯車が保持するよりも高い慣性を保持する傾向のあるPXUのより大きな質量も補償することに留意されたい。このわずかな回生信号は、余分な慣性を電子的に低減させる効果を有する。)。

システムが、ETモード806からICEモード814に切り替えるのが適切であると判定したことに応じて、コントローラ312はまず、図7のブロック752に記載された条件に応じて車両を(コントローラ312に結合された装置を介して)同期動作モード810に切り替える。このモードの継続時間は短い。図8の同期動作モード810は上記の表中の同じ名前のペダル応答モードに対応する。同期モード810では、コントローラ312は、位置ペダル602とは無関係に信号312_S_ICEをICEに送信する。信号312_S_ICEは、手動トランスミッションギアボックスのギアが衝突せずに噛み合うことができるようにトランスミッション入力軸の回転速度に一致するのに適した、1200RPMなどの速度までICEに回転速度を上昇させるICEに所定の要求を伝達する。また、この同期モードが継続する短期間の間、コントローラ312は、ETモード806の場合と同様に、引き続き信号312_S_ETを生成してETMGに送信する。これは、移行時に、ICEへの引き継ぎが十分に行われたとコントローラ312が判定するようなときまで車両を推進するトルクが失われるのを避けるために行われる。

同期モード810は、コントローラ312が、図7のブロック764に対応する融合ペダル応答モードに入ることによって終了し、ブロック764では、コントローラ312が、312_S_ICE信号の所定の要求成分をペダル入力に対して生成される成分と融合する。すなわち、数秒の短い時間間隔の間、コントローラは、所定の要求成分を徐々に減少させ、一方、ペダル位置に応じて生成される成分を徐々に増大させる。このように、ETMG推進からICE推進への円滑な推移は、エンジンの回転速度を過度に上昇させたり、エンジンの回転速度を過度に低下させて車両を減速するかあるいはOEMクラッチに過度の応力をかけることなく実現される。

同期モードでのギアのシフト
同期モードでの短期間の間に運転者がギアをシフトすることは可能であるが、可能性は低い。これが行われた場合、コントローラ312は、ボタン622からの信号を受信することに応答して、21をモード表中の同じ名前のペダル応答モードに対応するギアシフト同期モード822に切り替える。モード表中のギアシフト同期モードを参照すると、このモード822では、コントローラ312が、上記で同期モード810に関して説明したのと同様に信号312_S_ICEを自動的に生成し、上記でギアシフトETモード806に関して説明したのと同様に信号312_S_ETを自動的に生成することが分かる。これは、同期モードからの入力が、エネルギーまたは燃料を無駄にしたり、ICEまたはETMGのシステムを損傷したり、シフトを困難にしたりするICEまたはETMGによる過反応を生じさせないようにするためである。

ICEモードへの切り替え
図7のブロック722まで(ICE状態814に相当する)で説明したようにICE状態814の条件が確立されると、コントローラ312は、車両を(コントローラ312に結合された装置を介して)同期動作モード810から、モード表において迅速効率的回生、ペダルオフ専用回生、およびブーストと示されている1組のペダル応答モードに相当するICEモード814に切り替える。ICEモード814では、コントローラ312は、バッテリー充電状態に応じてこれらのペダル応答モードのうちの1つを選択する。迅速効率的回生、ペダルオフ専用回生、およびブーストペダル応答モードの各々における動作の説明については本明細書のモード表を参照されたい。

ICEモードでのギアシフト
ICEモード814では、コントローラは、運転者がボタン622を作動させたことに応答してギアシフトICEモード826に切り替え、ボタン622を放したことに応答してモード826からICEモード814に戻す。ギアシフトICEモード826における動作は、本明細書のモード表に示されていることを除いてギアシフトETモード818で説明した動作と同様である。

電動専用ACコンプレッサ、パワーステアリングポンプ、およびブレーキ用エアコンプレッサの交換
本発明の実施形態によれば、ETシステムは、車両を動作させ、かつ運転者を快適にするのに必要な従来の補助機器(空調コンプレッサ、パワーステアリングポンプ、ブレーキ用エアコンプレッサ)に対処している。このための構成は、上記で引用した関連出願のうちの1つ以上に開示されている。本発明の実施形態による他の構成では、これらのサブシステムのICEによって駆動されるドライバが、効率の改善された電気式ドライバで置き換えられる。電気式ドライバは、ETモードで推進に使用されるのと同じバッテリーから電力を供給される。これらのドライバは、必要に応じてオン、オフを切り替えられるが、ICEがオンであるときにもETMGがモータ駆動を行っているときにも動作する。

特にA/Cシステムに関しては、OEM ACコンプレッサは大型であり、ベルト駆動され、非効率的である。ACコンプレッサが動作していないときでも、ICEが依然としてベルトを介してプーリーを回転させているため、さらにエネルギーが失われる。本発明の研究では、電動ACコンプレッサに変えると、ETモードでもICEモードでも燃料がかなり節約されることが分かっている。同様に、従来のICE駆動パワーステアリング流体ポンプおよびブレーキエアコンプレッサポンプシャフトは、必要がないときでも流体/空気を回転させると共に迂回させ、その結果、システムから連続的にエネルギーが失われる。本発明の実施形態によれば、これらの補助システムドライバはすべてOEM構成から除去され、ICE動力を節約する高効率の電気式ドライバと交換される。代替電気式ドライバは、ET推進バッテリーから電力を供給されるコントローラによって駆動され、各ドライバがその目的に従って動作する必要があるときにのみ確実に駆動されるように各ドライバを独立に制御することができる。

電気式ドライバの種類および駆動される装置の種類
本発明の研究および試験は、最も効率的にICEからエネルギーを取り込み、蓄積し、次に推進に再利用するにはどうすればよいかについての最適化または少なくとも最適に近い状態にすることに関与している。したがって、上述のように、補助ドライバを電気専用ドライバと交換することに注目した。また、電気専用ドライバの種類および駆動される補助装置の種類にも注目した。HDVでは、初期コストを含む様々な理由で、12Vシステムが標準である。少数の製造業者が始動にDC24Vを使用しているが、残りのシステムはDC12Vである。しかし、本発明の実施形態における電気式専用補助ドライバは240V装置であり、従来の12Vドライバよりもずっと効率的である。さらに、本発明の実施形態では、ACコンプレッサ自体が、より効率の高いスクロール式コンプレッサと交換されている。

オルタネータ
従来の12Vバッテリー再充電オルタネータも、12Vバッテリーが満杯であるときでもICEからいくらかのエネルギーを取り込む。本発明の実施形態によれば、従来のオルタネータも同様に除去される。したがって、本発明の実施形態では、ETMGを使用してETシステムコントローラを介して従来の12Vバッテリーを充電する。このことも本明細書の上記と同じ理由で直感に反する。12Vオルタネータが除去されるので、ETシステムコントローラは、ETシステムバッテリーおよびETシステムETMGから供給される12V電源を含み、12V電源は、従来の12Vトラックバッテリーを車両の残りの12Vシステムの動作で使用できるように充電状態に維持する働きをする。

パワーステアリング
本発明の実施形態によれば、センサが含められ、ハンドルまたはステアリングリンケージの動きまたは位置を検出するように構成される。本発明の一形態では、センサは、センサがハンドルまたはリンケージの動きを検出したことに応答してパワーステアリングポンプドライバを通電させる。他の形態では、制御回路がセンサ入力を受信し、この制御回路が、センサがハンドルまたはリンケージの動きを検出しない所定の時間間隔に応じてパワーステアリングポンプドライバを通電解除させる。他の形態では、制御回路が、車両速度を示す信号も受信し、前述のように動きまたは動きがないことに応答してパワーステアリングポンプを通電し通電解除する制御がさらに、車両が、まったく走行していないことを含め、所定の限界よりも遅い速度で走行していることを制御回路が検出したことにさらに応答する。他の形態では、センサは、ステアリングリンケージが車両を直進するように(または直進に近い所定の範囲内で)操舵しているかどうかを検出し、したがって、検出された動きは、車両のハンドルがほぼ直進に相当する第1の位置から実質的に直進に相当しない第2の位置まで、あるいは第2の位置から第1の位置まで変化していることを示す動きになる。したがって、本発明の一実施形態では、制御回路は、ハンドル位置がほぼ直進に相当する位置であり、すなわち直進に相当する位置であるかあるいは直進に対する直線の両側の所定の範囲内であることをセンサが検出する所定の時間間隔に応じてパワーステアリングポンプを通電解除させるように構成される。そのような構成では、従来のパワーステアリングポンプを駆動するのに使用されるエネルギーが低減される。

本発明の実施形態では、ICEプーリー駆動パワーステアリング流体ポンプが完全に除去されるかまたは迂回される。電動パワーステアリング流体ポンプは、ステアリングコラムに取り付けられた機械的歯車によって測定されるハンドルの動きによって作動される。コントローラは、ハンドル位置が直前の1秒間平均ハンドル位置とは異なっていたことを検知すると、パワーステアリングポンプをオンにする。位置が変化しないかあるいはハンドル位置が直進に相当する場合、コントローラはカウントを開始し、カウントが2.5秒に達した時点でポンプをオフにする。

空気圧
空気圧に関して、コントローラは、圧力トランスデューサから信号を受信し、必要に応じてエアコンプレッサをオンにする。あるいは、コントローラは高圧スイッチおよび低圧スイッチから入力を受信し、圧力が高くなるまでコンプレッサをオンにしておき、次いで、圧力が低くなるまでコンプレッサをオフにしておく。DOTでは、タンク内にある最低空気圧を維持する必要があり、かつ制御システムが、万一この最低レベルを超えた場合に一定のタイムフレーム内にタンクを交換することができなければならない。本発明の実施形態では、コントローラは、一定のより低い速度で走行するか、それともブレーキエアシステムを急速充電するかを、監視によって、エネルギー効率に基づいて決定する。本発明の実施形態では、コントローラは、エネルギー充足、タンク圧力などに基づいて決定を下し、エネルギー使用量を最大にするようにすべての選択肢を最適化する。

上記のことから、本発明の実施形態によれば、本明細書に記載された電気式トラクションシステムは、クラス8HDVなどの車両に組み込まれることを理解されたい。組み込みシステムは、i)PXU、ETモータ/発電機、およびトランスミッションの歯車特性、ii)ETモータ/発電機の速度/トルク特性、iii)ETモードにおいて、ETMG、PXU、およびトランスミッションの所定の速度およびトルク限界内で機械的動力伝達装置にトルクを供給するバッテリー特性を満たし、さらにICEモードにおいて、走行サイクルの所定の特徴に応じ、かつPXUおよびトランスミッションの速度およびトルクの限界内ならびにETMGおよびバッテリーシステムの速度、トルク、および電流の限界内でバッテリーの再充電を可能にすることによって、所定のデイトラック走行サイクルに適切な走行時間および走行性能を実現する。

すなわち、具体的には、システムは、所定の走行サイクル制限内の所定のトルクおよび速度制限、すなわち所定の速度および時間間隔パターンを満足する歯車比、ETMGトルクなどの組み合わせを有し、したがって、システムは、所定の走行時間および速度パターンを得るのに十分な容量のバッテリーを有し、かつ(発電機としての)ETMGは、時間および速度走行サイクルに定義された所定の再充電機会内にバッテリーを再充電することができる。すなわち、バッテリーは、所定の走行サイクル内に所定の走行時間を得るのに十分な電流およびアンペア/時容量を有し、(発電機としての)ETMGは、走行サイクルに定義された所定の再充電機会内にバッテリーを再充電することができる。

クラス8HDVのサイズおよび重量に対して、比較的小型の電動ETMGが、異なる目的向けに設計されたPTOポートを介して車両を推進する。ETMGは、トラックをすべての状況で、たとえばある速度より速い速度で移動させるための要件に関連して比較的小型であるが、通常、PTOポートを通じて従来のトランスミッションの分配歯車に結合される従来のPTOの限界を超える動作特性を有している。すなわち、ETMGは、ある状況では、従来のPTOが耐えられるよりも高いトルクおよび速度で駆動するかあるいは駆動される容量を有さなければならない。したがって、トルク定格と速度定格がどちらも高いPXUは、本発明の実施形態に含まれる。さらに、従来のPTOは、本発明を有効化するのに十分な程度に高い歯車比を有していない。したがって、PXUは、速度定格およびトルク定格が高いだけでなく、歯車比がより高い。さらに、発電機モード(ETモード)でのETMGから供給される再充電電流/電圧も、手動シフトに関連してオフに切り替えるかあるいは少なくとも低減しなければならない。

次に図9を参照して、本発明に、車両に対して組み込みを行う方法を含めてよいことを理解されたい。本発明の実施形態では、この方法は、PTOポートを介して既存の車両の手動トランスミッションに結合される動力交換ユニット(PXU)を設置する段階902と、PXUに結合される電動モータ発電機を設置する段階904と、電力を供給して車両を推進するためにモータ発電機に電気的に結合されるバッテリーを設置する段階906と、モータ発電機およびバッテリーに結合され、かつ車両の動作を第1のモードと第2のモードとで切り替えるように構成された制御ユニット908を設置する段階908とを含み、第1のモードでは、車両の内燃機関が車両を推進し、第2のモードでは、モータ発電機が車両をモータ駆動モードで推進する。制御ユニットを設置する段階908は、制御ユニットを本明細書に記載されたように構成する段階を含んでよい。

繰り返すと、各実施形態は、本発明の原理、実際の応用を最もうまく説明するように選択され記載されるとともに、当業者が本発明を理解することができるように選択され記載されている。様々な変形例を有する様々な他の実施形態を考えられる特定の用途に適合させることができるが、本発明の範囲内とすることができる。

以下の特許請求の範囲は、明確にかつ明示的に述べられない限り、任意の特定の処理シーケンスを暗示するものではない。特許請求の範囲の各部にa)、b)、c)などの符号が含まれてきるが、それ自体が任意の特定のシーケンスを暗示するものではなく、各部の参照を容易にするものに過ぎない。

202 車両
204 トランスミッション
206 クラッチ
208 ICE
210 ギアシフトレバー
212 クラッチペダル
214 ステアリングホイール
216 12ボルトバッテリー
218 電気式システム
220 補助システム
302 PTOポート
304 動力交換ユニット
306 ETMG
308 整流器/インバータ
310 バッテリーパック

Claims (1)

1. 車両に対して組み込みを行う方法であって、
   PTOポートを介して前記車両の既存の手動トランスミッションに結合される動力交換ユニット(PXU)を設置する段階と、
   前記PXUに結合される電動モータ発電機を設置する段階と、
   電力を供給して前記車両を推進するために前記モータ発電機に電気的に結合されるバッテリーを設置する段階と、
   前記モータ発電機および前記バッテリーに結合され、かつ前記車両の動作を第1のモードと第2のモードとで切り替えるように構成された制御ユニットを設置する段階とを含み、前記第1のモードでは、前記車両の内燃機関が前記車両を推進し、前記第2のモードでは、前記モータ発電機が前記車両をモータ駆動モードで推進することを特徴とする方法。

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