JP4026566B2 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ハイブリッド車両の制御装置に関するものである。
近年、ガソリンエンジンなどのエンジンの燃費や排ガス浄化性能の向上を目的として駆動源としてエンジンとモータとを備えた、いわゆるハイブリッド車両が注目されている。ハイブリッド車両を大別すると、エンジンを発電機の駆動にのみ用いて発電した電力により運転するモータを駆動源として走行するシリーズハイブリッド方式と、車両の駆動源としてエンジンとモータとを備えたパラレルハイブリッド方式とに分けられる。
いずれの方式でも、エンジンから出力された動力を駆動軸に任意の回転速度及びトルクで出力することができることから、エンジンは運転効率の高い動作点を選択して運転することができる(特許文献1参照)。
この従来技術について説明すると、動力出力装置は、エンジンと2つのモータの各出力軸の連結に遊星歯車機構を用い、エンジンの出力軸を遊星歯車機構のキャリアに、一方のモータの出力軸をサンギヤに、他方のモータの出力軸をリングギヤに接続することによってエンジンを停止させてモータのみによる走行を可能としたものである。
この動力出力装置は、エンジンと2つのモータの各出力軸を機械的に連結させることで、アクセル開度で定まる運転者の要求動力を取り込み、この要求動力に基づいて原動機の目標動力を運転効率の高い動作点上に決め、この目標動力で原動機の運転を制御するとともに、電動機を制御することにより原動機から出力される動力で要求動力に対して不足する分をモータから出力される動力によって補うように構成されている。
なお、この動力出力装置の例としてエンジンとモータの各出力軸の連結にプラネタリギヤを用い、エンジンの出力軸をプラネタリギヤのキャリアに、一方のモータの出力軸をサンギヤに、他方のモータの出力軸をリングギヤに接続することによってエンジンを停止させてモータのみによる走行を可能とした動力出力装置が特許文献1に開示されている。
この動力出力装置の例では車両の発進時やモータを用いた回生制動等、エンジンが燃費の悪い状態でしか運転できない場合や、燃料をカットしたときにエンジン出力軸の摩擦が不要となる場合にはエンジンを停止させ、燃費の向上代を拡大させている。
なお、これはプラネタリギヤの一般的な性質を利用したもので、プラネタリギヤは、サンギヤ、キャリア及びリングギヤのそれぞれに結合された回転軸の回転速度に以下の式(1)〜式(3)の関係が成立することが機構学上よく知られている。
また、各回転軸の回転速度に変化のない、即ち各回転軸のトルクが釣り合った状態では式(4)及び式(5)の関係が成立する。即ち、遊星ギヤの3要素のうち、2つの要素の動力状態が決定されると、式(1)〜式(6)の関係式に基づいて残余の要素の動力状態が決定される。
ここで、Nsはサンギヤの回転速度、Tsはサンギヤのトルク、Ncはキャリアの回転速度、Tcはキャリアのトルク、Nrはリングギヤの回転速度、Trはリングギヤのトルクである。
ここで、Ns、Nc、Nrの関係は、遊星歯車機構の各要素の回転速度が一直線上に並ぶように表した、一般に共線図と呼ばれる表記法を用いると図15の通りに表すことができる。なお、この図15の関係は式(1)〜式(3)からも明らかである。ここで図16のようにNr=−ρNsとすると式(2)からも明らかなようにNc=0となり、車両はリングギヤの回転速度Nrに応じた車速で走行しているが、キャリヤ、即ちエンジンは停止した状態とすることが可能であることが分かる。
特開平10−98805号公報
今、エンジンを停止して坂道を下りながら、走行速度の上昇をモータによる回生によって抑えながら一定速で走行している状態を考える。なお、以降図15においてサンギアに出力軸が結合されているモータを第1モータ、リングギアに出力軸が結合されているモータを第2モータと呼ぶ。この状態におけるNs、Nc、Nrの関係は図16に示す通りである。この図16の状態でバッテリの蓄電状態がこれ以上蓄電できない、即ち満充電の状態となった場合にはモータによる回生は行えなくなる。
この状態において、制動をかける手段は車両の機械式のブレーキを利用する方法と、停止したエンジンのフリクションを利用するエンジンブレーキを用いる方法がある。ここで、機械式ブレーキを坂道等で連続使用することはヴェーパーロック等が発生して機械式ブレーキの制動力が低下する恐れがあることから、危険回避等を目的とした急制動等を考慮すると望ましくない。そこでエンジンブレーキを用いることを考えると、エンジンの回転速度を上げてエンジンのフリクショントルクを得るためには、図16からも明らかな通り第1モータの回転速度であるNsを正方向にする必要がある。しかしこの時図16の状態から第1モータの回転速度Nsを正値にするためには、まず第1モータは正のトルクを出さなくてはならず、(負の回転速度)×(正のトルク)となることから回転速度が正になるまで発電しなければならなくなる。しかし今、バッテリにはこれ以上蓄電できないため、第1モータの駆動によりエンジンの回転速度を上昇させることができず、エンジンブレーキを利用することができない。
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたもので、バッテリが満充電となったときでもエンジンブレーキを使用することができるハイブリッド車両の制御装置を提供する。
本発明は、燃料を消費して駆動力を発揮するエンジンと、第1モータと、第2モータと、前記エンジンの回転軸に接続される回転軸と前記第1モータの回転軸に接続される回転軸と前記第2モータの回転軸および車両の駆動輪に接続される回転軸とを有する差動歯車機構と、前記第1モータおよび第2モータとの間で電力の授受を行う蓄電装置とを備え、車両の目標駆動力が正のしきい値より小さいときに前記エンジンへの燃料供給を停止し、前記目標駆動力が前記しきい値より大きいときに前記エンジンへ燃料を供給するハイブリッド車両の制御装置において、前記目標駆動力が前記しきい値より小さく、前記蓄電装置の蓄電量が前記蓄電装置の最大蓄電量に達し、前記目標駆動力が正であるときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記第1モータの回転速度をゼロ以上に制御する。
本発明によれば、目標駆動力が負のときに、蓄電装置の蓄電量が許容蓄電範囲を超える場合は、エンジン運転状態を無負荷状態に制御すると共に、前記第1モータの力行制御に基づいて無負荷状態のエンジンの回転速度を上昇させてエンジンブレーキを効かせるにあたり、第1モータの回転速度が負の状態からゼロになるまでは、少なくとも第1モータを発電状態とならないように制御するため、蓄電装置の蓄電量が所定の蓄電量以上のときでも、モータ制限手段が、第1モータを力行制御することによって、エンジンの回転速度が上昇する運転状態としてエンジンブレーキが利用できるようにし、下り坂走行時等の制動性能を向上することができる。
本発明によれば、蓄電装置の蓄電量が最大蓄電量に達する状況では目標駆動力が正であるうちに第1モータの回転速度を負の状態からゼロまで上昇させておくので、目標駆動力が負になってエンジンブレーキを効かせる必要が生じたときに第1モータを力行させることでエンジン回転速度を上昇させることができ、蓄電装置の過充電を回避しつつエンジンブレーキを利用することが可能となる。
図1は、本発明のハイブリッド車両の駆動システムを説明する構成図である。
この駆動システムは、駆動源としてのエンジン1と2つの第1、第2モータ2、3とを備え、エンジン1と第1モータ2との間に遊星歯車機構10が設置される。駆動源としてのエンジン1は通常のガソリンエンジンであり、またモータ2、3は三相同期電動機や三相誘導電動機等の力行運転及び回生運転可能な交流電動機である。またこれらモータ2、3の電力供給源としてバッテリ4が設置され、バッテリ4はニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池が用いられる。またバッテリ4は第1、第2モータ2、3が発電した電力を蓄電することもできる。なお、第1、第2モータ2、3は一方が発電し、他方がその発電した電力により駆動することもできる。この場合にはバッテリ4の電力を使用する必要はない。第1、第2モータ2、3とバッテリ4との間にはインバータ6が設置され、第1、第2モータ2、3が発電した交流電流を直流電流に変換してバッテリ4に蓄電し、また逆にバッテリ4の直流電流を交流電流に変換して第1、第2モータ2、3に供給してモータを運転する。
この駆動システムの変速機構を構成する差動歯車機構としての遊星歯車機構10は、3つの入出力軸部を有し、中心に配置されるサンギア11と、サンギア11の周辺を自転しながら公転するピニオンギア12と、ピニオンギア12の周囲で回転するリングギア13の3種類のギアと、ピニオンギア12を軸支するキャリア14とから構成される。サンギア11と第1モータ2の回転軸2aとが同軸に連結され、またリングギア13には第2モータ3の回転軸3aが接続され、さらにキャリア14にエンジン1の出力軸1aが接続される。さらにリングギア13は差動装置(デファレンシャルギア)15を介して駆動輪16に接続している。第2モータ3は駆動輪16と連結しているため、第2モータ4の回転速度を容易に変化させることはできない。したがって、変速制御は、エンジン1の回転速度を変化させる第1モータ2を制御することによって実施される。
この駆動システムを統合制御するためのコントローラ5が設置される。コントローラ5は、内部にCPU、ROM、RAM等を有するマイクロコンピュータであり、ストロークセンサ21により検出した運転者によるアクセルペダル踏み込み量や、回転数センサ22により検出した従動輪17の回転速度等を入力してエンジン1の燃料噴射量や第1、第2モータ2、3への電力供給制御、第1、第2モータ2、3に供給された電力量に基づく駆動トルクの演算、バッテリ4に設置された電流センサ23の出力値を積算してバッテリ4の蓄電量の演算等を行う。さらにコントローラ5にはエンジン1の回転速度を検出する回転数センサ24、第1、第2モータ2、3の回転速度を検出する回転数センサ25、26、駆動輪16の回転速度を検出する回転数センサ27の出力が入力される。さらに第1、第2モータ2、3に流れる電流を検出する電流センサ28、29の出力が入力される。コントローラ5はこれらの入力値に基づいて、駆動システムを統合制御する。
本発明は、バッテリ4が満充電状態(あるいは充電が許可されない状態)にあるときに、第1モータ2がエンジン1の回転速度を上昇させるためには必ず力行制御の状態になるように第1モータ2の運転状態を制御する。このようにして第1モータ2を力行制御することによって、上記のような場合においてもエンジン1の回転速度を上昇させ、エンジンブレーキを使用することができ、車両の制動性能、特に下り坂走行時の制動性能を高めることができるものである。
以下、本発明の制御内容をフローチャートに沿って説明する。
図2に示すフローチャートは、コントローラ5が実施する駆動トルク配分制御を説明するフローチャートである。
ステップS10では、ストロークセンサ21で検出するアクセルペダルの踏み込み量Apと回転数センサ22で検出する従動輪17の車輪速に基づき検出した車体速Vspから車両の要求駆動トルクtTdを図3に示すマップに従い設定する。なお車体速Vspは従動輪17の回転速度に従動輪17の半径を乗じた値とする。
ステップS12では、車両の目標駆動仕事率tPdを駆動輪の半径Rwを用いて式(7)から演算する。
ステップS14では、電流センサ23の出力値に基づいて算出したバッテリ4の蓄電量Bsocからエンジン始動仕事率閾値Pthを図4に示すマップに従い設定する。
なお、図4に示すマップ中のBmxはバッテリ4の最大蓄電量で、Bmnはバッテリ4の最小蓄電量で、Pth_maxは車両がバッテリ4の電力を用いて第1モータ2及び第2モータ3のみで実現できる最大の駆動仕事率である。また、Bmx、Bmn及びPth_maxはコントローラ5を製造する段階でROMに記憶させておく。車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより小さい場合、第1モータ2及び第2モータ3のみで車両を駆動することができるので、エンジン1への燃料供給を停止する。また、車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより大きい場合、エンジン1の駆動力が必要となるので、エンジン1へ燃料を供給する。
ステップS16では、車両の目標駆動仕事率tPdが、エンジン始動仕事率の閾値Pthより大きいかどうかを判定し、大きければステップS18に進む。一方、ステップS16でtPdがPth以下ならば、ステップS30に進む。
ステップS18では、バッテリ4の蓄電量Bsocとバッテリ4の目標蓄電量Bmeanから、比例ゲインPed、積分ゲインIed、微分ゲインDedを設定し、BsocをBmeanに収束させるようなバッテリ4の充放電要求電力tPbを式(8)より求める。なお、バッテリ4の目標蓄電量Bmeanはバッテリ4の最大蓄電量Bmxと最小蓄電量Bmnとの間に設定される値であり、コントローラ5を製造する段階でROMに記憶させておく。
ステップS19では、バッテリ4の蓄電量Bsocをバッテリ4の最大蓄電量Bmxと比較し、バッテリ4の蓄電量Bsocが、バッテリ4の最大蓄電量Bmxより小さいならばバッテリ4に充電可能であり、ステップS20に進む。一方、ステップS19でBsocがBmx以上ならば、ステップS22に進む。
ステップS20では、車両の目標駆動仕事率tPdと、バッテリ4の充放電要求電力tPbとの和をシステム要求仕事率tPとして、第1モータ2の発電を許可し、発電された電力はバッテリ4に充電される。このバッテリ4に充電可能な場合には、システム要求仕事率tPを達成するようにエンジン1、第1モータ2や第2モータ3を制御することができる。
続くステップS21では、システム要求仕事率tPを、エンジン1の効率の高い運転ポイントで実現できるよう、コントローラ5のROMにマップとして記憶してある図5のような動作曲線αを基に設定する。
なお、図5はエンジンの運転ポイントと運転効率との関係について示す説明図であり、回転速度Neを横軸に、トルクTeを縦軸にとりエンジン1の運転状態を示している。図中の曲線Te_maxはエンジン1の運転が可能な限界範囲を示している。曲線Ef1からEf6まではエンジン1の運転効率が一定となる等効率運転ポイントを示している。Ef1からEf6の順に運転効率は低くなっていく。また、曲線Pe_eq1からPe_eq3はそれぞれエンジン1から出力される動力(回転速度×トルク)が一定となる等出力ラインを示している。エンジン1は図示する通り、回転速度およびトルクに応じて、運転効率が大きく相違する。エンジン1から曲線Pe_eq1に相当する動力を出力する場合には、図中のα1点に相当する運転ポイント(回転速度およびトルク)が最も高効率となる。同様に曲線Pe_eq2およびPe_eq3に相当する動力を出力する場合には図中のα2点およびα3点で運転する場合が最も高効率となる。出力すべき動力ごとに最も運転効率が高くなる運転ポイントを選択すると、図中の曲線αが得られる。これを動作曲線と呼ぶ。
ステップS21における運転ポイントの設定では、予め実験的に求められた動作曲線αをコントローラ5のROMにマップとして記憶しておき、かかるマップから目標駆動仕事率tPdに応じた運転ポイントを読み込むことで、エンジン1の目標回転速度tNeおよび目標トルクtTeを設定する。このようにして、エンジン1について効率の高い運転ポイントを設定することができる。
このステップ19からステップ21に進む、車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率の閾値Pthより大きい値でバッテリ4に蓄電量の余裕があり、充電可能な場合には、車両の目標駆動仕事率tPdを達成するように第1、第2モータ2、3とエンジン1を制御する。このとき、バッテリ4に蓄電量の余裕があるため、各モータの制御状態、つまり回生、力行状態に制限はない。
一方、ステップS19からステップS22に進む、つまりバッテリ4に充電できない場合には、ステップS22で、バッテリ4の充放電要求電力tPbと0の内、小さい方の値を充放電要求電力tPbに再設定する。バッテリ4の充放電要求電力tPbが0より小さい負値である場合にはそのまま放電を行う。即ち、バッテリ4の蓄電量BsocがBmx以上ならば、これ以上バッテリ4への充電を禁止するように制御を行う。
続くステップS23では、車両の目標駆動仕事率tPdと、バッテリ4の充放電要求電力tPbとの和をシステム要求仕事率tPとする。
ステップS24では、システム要求仕事率tPを、エンジン1の効率の高い運転ポイントで実現できるよう、コントローラ5のROMにマップとして記憶してある図5の動作曲線αを基に目標トルクtTeと目標回転速度tNeを設定する。
続くステップS25では、エンジン1の目標回転速度tNeを第1モータ2の回転速度Ngが0以上、すなわち負にならないように再設定する。具体的には第1モータ2の回転速度Ngが0となるようなエンジン1の回転速度tNedを式(9)から求め、このtNedと設定済のtNeの内、大きい方の値を目標回転速度tNeに再設定する。
ここで、ステップS25で第1モータ2の回転速度が0になるようにエンジン1の目標回転速度tNeを設定するが、第1モータ2の回転速度が負の回転速度から0になるまで第1モータ2は発電を伴う回生状態となる。しかしながら、この状態では車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより大きく、目標駆動仕事率tPdを達成するため第2モータ3が力行制御されており、第1モータ2で回生発電分の発電量は第2モータ3の力行制御に消費されてバッテリ4に充電されることはなく、よってバッテリ4が過充電になることはない。そして第1モータ2の回転速度が0になり、第1モータ2が力行可能状態になると、エンジン1の回転速度が上昇してエンジンブレーキが使用できる状態となる。
ステップS26では、エンジン1がシステム要求仕事率tPを目標回転速度tNeで実現できる目標トルクtTeを再設定する。具体的には、図5の曲線Pe_eq1からPe_eq3のようにエンジン1から出力される動力が一定となるラインの内、図13の通りシステム要求仕事率tPを実現するラインPe_eq_tPを選択し、このラインPe_eq_tP上でtNeを実現する目標トルクtTeを求める。
なお、エンジン1から出力される動力が一定となるラインは、ステップS26における目標トルクtTeの再設定によって本車両の運転性能を低下させないような間隔で出力動力毎に予め実験的に求めておき、コントローラ5のROMにマップとして記憶しておく。
ステップS16に戻り、車両の目標駆動仕事率tPdが、エンジン始動仕事率閾値Pth以下の場合にはステップS30に進み、ステップS30ではエンジン1の目標トルクtTeをtTe=0に設定する。即ちエンジン1への燃料供給を停止するように制御を行う。
続くステップS32では、バッテリ4の蓄電量Bsocをバッテリ4の最大蓄電量Bmxと比較し、バッテリ4の蓄電量Bsocが、バッテリ4の最大蓄電量Bmxより小さいならば、ステップS34に進む。一方、ステップS32でBsocがBmx以上ならば、ステップS36に進む。
ステップS34では、エンジン1の目標回転速度tNeをtNe=0に設定する。この場合には、車両の目標駆動仕事率tPdが正か負かで制御内容が変わる。つまり目標駆動仕事率tPdが0より大きい場合を考えると、第2モータ3の回転速度が正の値で目標駆動仕事率(トルク)tPdも正の値であり、目標駆動仕事率tPdは第2モータ3により達成されて発電は行われず、一方、第1モータ2では、回転速度が負の値で、目標駆動仕事率(トルク)tPdも負の値であり、発電は行われない。
対して目標駆動仕事率tPdが0より小さい、負の場合を考えると、第2モータ3の回転速度が正の値で目標駆動仕事率(トルク)tPdが負の値であり、回生発電が行われ、一方、第1モータ2では、回転速度が負の値で、目標駆動仕事率(トルク)tPdは正の値であり、回生発電が行われる。そして第1、第2モータ2、3の回生トルクにより、目標駆動仕事率(トルク)tPdが達成され、車両の制動性能が確保される。
この時の第1、第2モータ2、3の回生発電量は、蓄電量に余裕のあるバッテリ4に蓄電される。
一方、ステップS36では、車両の目標駆動仕事率tPdが0以上かどうかを判定し、ステップS12において設定された車両の目標駆動仕事率tPdが0以上である場合には、ステップS38に進む。一方、ステップS36でtPdが0より小さい場合には、ステップS40に進む。
ステップS38では、エンジン1の目標回転速度tNeを第1モータ2の回転速度Ngが0以上となるように設定する。具体的には第1モータ2の回転速度Ngが0となるようなエンジン1の目標回転速度tNeを式(10)から求める。
ここで、ステップS25と同様に第1モータ2の回転速度が0になるようにエンジン1の目標回転速度tNeを設定するが、第1モータ2の回転速度が負の回転速度から0になるまで第1モータ2は発電を伴う回生状態となる。しかしながら、ステップ36で判定したように、この状態では車両の目標駆動仕事率tPdが0より大きく、目標駆動仕事率tPdを達成するため第2モータ3が力行制御されており、第1モータ2に回生発電分の発電量は第2モータ3の力行制御に消費されてバッテリ4に充電されることはなく、よってバッテリ4が過充電になることはない。そして第1モータ2の回転速度が0になり、第1モータ2を力行可能状態として、エンジン1の回転速度が上昇してエンジンブレーキが使用できる状態となる。
一方、ステップS40では、車両の目標駆動仕事率tPdが0未満であり、図6より目標駆動仕事率tPdを実現するようなエンジン1の回転速度を目標回転速度tNeに設定する。なお、図6はエンジン1が燃料を燃焼させない状態で回転したときの摩擦抵抗による仕事率Pf_eを実験、或いはシミュレーションによって求め、エンジン1の回転速度Neを横軸に、Pf_eを縦軸にとって図示したものである。図6はコントローラ5を製造する段階でROMに記憶させておく。即ち、ステップS40では負値となっている目標駆動仕事率tPdをエンジン1のフリクションで実現する制御とする。
このステップは、バッテリ4が満充電状態にあって、かつ車両の目標駆動仕事率tPdが0以上から0未満に切り換わった時の制御内容であり、目標駆動仕事率tPdが0以上の時には、ステップS38での制御で第1モータ2の回転速度Ngは0になるようにエンジン1の回転速度に制御されている。したがって、このステップS40での制御は、第1モータ2の回転速度が0になっているため、第1モータ2は力行制御となる。そしてエンジン1の回転速度が目標回転速度tNeに達すると、エンジン1の摩擦トルクだけで目標駆動仕事率tPdを達成することができる。エンジン1の回転速度が目標回転速度tNeに達するまでの間、第2モータ3の回生トルクにより負の目標駆動仕事率(駆動力)tPdを補うことになるが、第1モータ2が力行状態にあるため、バッテリ4が過充電状態となることはない。
なお、ステップS38で、第1モータ2の回転速度Ngが0になるように制御を行わないと、目標駆動仕事率tPdが0以上(正の値)から0未満(負の値)に切り換わった時に第1モータ2と第2モータ3とが同時に回生状態となり、バッテリ4が過充電状態となる。
ステップS41では、ステップS25と同様に、エンジン1の目標回転速度tNeを第1モータ2の回転速度Ngが0以上となるように再設定する。具体的には第1モータ2の回転速度Ngが0となるようなエンジン1の回転速度tNedを式(9)から求め、このtNedと設定済のtNeの内、大きい方の値をtNeに再設定する。即ち、バッテリ4が満充電の状態で、かつ車両の目標駆動仕事率tPdが負の状態の場合には第1モータ2を力行制御することによって、エンジン1の回転速度が上昇する運転状態としてエンジンブレーキが利用できる。第2モータ3の回生発電電力は、第1モータ2の力行制御により消費され、バッテリ4が過充電となることはない。
ステップS42では式(1)と、エンジン1の目標回転速度tNeと、第2モータ3の回転速度Nmから第1モータ2の目標回転速度tNgを式(11)を用いて設定する。
続くステップS44では、第1モータ2の回転速度Ngと目標回転速度tNgとの差sTgに応じてNgをtNgに収束させるためのPIDフィードバック制御に用いるフィードバック制御値(第1モータ2の目標トルク)tTgを演算する。この目標トルクtTgは、比例ゲインPe、積分ゲインIe、微分ゲインDeを設定して式(12)により演算される。
ステップS46では、式(4)と第1モータ2の目標トルクtTgから第2モータ3の目標トルクtTmを式(13)の通り設定する。
ステップS48では、エンジン1の目標トルクtTeに応じてエンジン1を制御し、第1モータ2の目標トルクtTgに応じて第1モータ2を制御し、第2モータ3の目標トルクtTmに応じて第1モータ2を制御する。
したがって、本発明では、バッテリ4が満充電の状態で、かつ車両の目標駆動率tPdが負の状態の場合でも、コントローラ5が第1モータ2を力行制御することによって、エンジン1の回転速度が上昇する運転状態としてエンジンブレーキが利用できるようにし、下り坂走行時等の制動性能を向上することができる。
図7のフローチャートは、ハイブリッド車両のコントローラ5による駆動トルク配分制御の他の実施形態を示すものである。
まず、ステップS50では、ストロークセンサ21で検出したアクセルペダルの踏み込み量Apと回転数センサ22で検出した車体速Vspから車両の要求駆動トルクtTdを図3に示すマップに従い設定する。なお車体速Vspは従動輪17の回転速度に従動輪17の半径を乗じた値とする。
ステップS52では、車両の目標駆動仕事率tPdを駆動輪の半径Rwを用いて式(14)の通り演算する。
ステップS54では、バッテリ4の蓄電量Bsocからエンジン始動仕事率閾値Pthを図8に示すマップに従い設定する。
図8に示すマップ中のBmxはバッテリ4の最大蓄電量で、Bmnはバッテリ4の最小蓄電量で、Pth_maxは車両がバッテリ4の電力を用いて第1モータ2及び第2モータ3のみで実現できる最大の駆動仕事率である。
また、蓄電余裕Bexは次の手順で求める。まず、図9に示す回転速度でエンジン1、第1モータ2及び第2モータ3が運転され、かつ車両の駆動トルクTdがTd=0で走行している状態から、アクセルペダルの踏み込み量Apを可能な限り早く0にするシミュレーション或いは実験を行う。但し、図9においてNg_mnは第1モータ2の最低回転速度である。
この時のエンジン1、第1モータ2及び第2モータ3の回転速度と第1モータ2の消費電力Pgenの遷移は図10のようになるので、この時のPgenの最小値、即ち第1モータ2の最大発電電力Pgen_min(単位:W(ワット))を蓄電可能なバッテリ4の最大蓄電量Bgen_mxを図11から設定する。
但し図11はバッテリ4の蓄電量Bsocを横軸に取り、各Bsocにおける最大充電可能電力Pj_min(単位:W(ワット))を縦軸に取ったものである。そしてBmxからこのBgen_mxを差し引いたBmx−Bgen_mxをBexに設定する。
また、蓄電余裕Bexは次の手順で求めても良い。まず図9の運転状態で、かつTd=0で走行している状態から、アクセルペダルの踏み込み量を可能な限り早く0にした時、第1モータ2の回転速度Ngを0に上昇させるまでに第1モータ2が発電する総発電電力量Wgen(単位:Wh(ワット×時間))を求める。そしてこのWgenを蓄電することが可能なバッテリ4の最大蓄電量Bgen_mx_wを図14から設定する。
但し図14はバッテリ4の蓄電量Bsocを横軸に取り、各Bsocにおいてバッテリ4の蓄電量BsocをBmxとするまでに必要な充電電力量Wb(単位:Wh)を縦軸に取ったものである。そしてBmxからこのBgen_mx_wを差し引いたBmx−Bgen_mx_wをBexに設定する。
また、蓄電余裕BexにはBmx−Bgen_mxとBmx−Bgen_mx_wの内、大きい方の値を設定するとしても良い。
なお、図8のマップ、Bmx、Bmn、Bex及びPth_maxはコントローラ5を製造する段階でROMに記憶させておく。
ステップS54に続くステップS56では、車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより大きいかどうかを判定し、車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより大きいならば、ステップS57に進む。一方、ステップS56でtPdがPth以下ならば、ステップS64に進む。
ステップS57では、バッテリ4の蓄電量Bsocとバッテリ4の目標蓄電量Bmeanから、比例ゲインPed、積分ゲインIed、微分ゲインDedを設定し、BsocをBmeanに収束させるようなバッテリ4の充放電要求電力tPbを式(15)より求める。なお、Bmeanはバッテリ4の最大蓄電量Bmxと最小蓄電量Bmnとの間に設定される値であり、コントローラ5を製造する段階でROMに記憶させておく。
ステップS58では、バッテリ4の蓄電量Bsocが最大蓄電量Bmx−蓄電余裕Bexより小さいかどうかを判定し、バッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bexより小さいならば、ステップS60に進む。一方、ステップS58でBsocがBmx−Bex以上ならば、ステップS59に進む。
ステップS59では、バッテリ4の充放電要求電力tPbと0の内、小さい方の値をtPbに再設定する。即ち、バッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bex以上ならば、バッテリ4への充電を禁止するように制御を行う。
ステップS60では、車両の目標駆動仕事率tPdと、バッテリ4の充放電要求電力tPbとの和をシステム要求仕事率tPとする。バッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bexより小さい場合には、バッテリ4に電力を充電可能であり、第1モータ2の回生発電電力をバッテリ4に充電することができる。また、バッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bex以上の場合には、ステップS59で示すようにバッテリ4への充電を禁止する。
ステップS62では、システム要求仕事率tPを、エンジン1が効率の高い運転ポイントで実現できるよう、コントローラ5のROMにマップとして記憶してある図5の動作曲線αを基に設定する。
ステップS56で車両の目標駆動仕事率tPdが、エンジン始動仕事率閾値Pth以下の場合にはステップS64に進む。ステップS64ではエンジン1の目標トルクtTeをtTe=0に設定する。
ステップS66では、ステップS52において設定された車両の目標駆動仕事率tPdが0以上であるかどうかを判定し、0以上である場合には、ステップS70に進む。一方、tPdが0より小さい場合には、ステップS68に進む。
ステップS68では、バッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bexより小さいかどうかを判定し、Bmx−Bexより小さいならば、ステップS70に進む。一方、ステップS68でBsocがBmx−Bex以上ならば、ステップS72に進む。
ステップS70では、エンジン1の目標回転速度tNeをtNe=0に設定し、ステップS74に進む。目標回転速度tNeをtNe=0に設定することで、バッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bexより小さく蓄電量Bsocに余裕があり、かつ目標駆動仕事率tPdが負の値である間は、第2モータ3は回生状態となって、目標駆動仕事率tPdを実現する。第2モータ3が発電する電力はバッテリ4に充電される。また、目標駆動仕事率tPdが正の値である場合には、第2モータ3が力行制御されてtPdを達成する。
一方、ステップS72では、図6より目標駆動仕事率tPdを実現するようなエンジン1の回転速度を目標回転速度tNeに設定する。即ち、ステップS72では負値となっている目標駆動仕事率tPdをエンジン1のフリクションで実現するように制御し、バッテリ4への充電せずに目標駆動仕事率tPdを実現する。
このステップでは、第1モータ2の回転速度は、エンジン1の回転速度により制御され、第1モータ2の回転速度を0となるように制御するが、第1モータ2は回転速度が0になるまでの間、回生状態となる。このステップでエンジン1の目標回転速度tNe(>0)が設定されると、これを実現するように第1モータ2が制御されることになるが、目標回転速度tNeが0であったときの第1モータ2の回転速度は負だったので、これを目標回転速度tNeに対応する正の回転速度まで引き上げる必要がある。第1モータ2の回転速度が負から0になるまでの間、第1モータ2は回生状態となるが、このときのバッテリ4の蓄電量Bsocは、Bmx−Bex以上であるが、満状態ではないため、回生発電分を充電することができる。そしてバッテリ4が満状態となる前に第1モータ2の回転速度が0となり、その後第1モータ2の力行制御によってエンジン1の回転速度を上昇させる。
この実施形態の制御内容は、車両の下り坂走行を想定しており、この走行状態で、バッテリ4の蓄電量Bsocに余裕がある場合には、第2モータ3の回生トルクで負の目標駆動仕事率tPdを達成するように制御し(ステップS68、S70)、バッテリ4の蓄電量に余裕が少ない満充電状態に近い状態になった場合には、満状態となる前に第1モータ2を力行制御に移行してエンジンブレーキ使用可能状態とする(ステップS68、S72)。
この制御内容を遊星歯車機構10の構成の作動状態で説明すると、負の目標駆動仕事率tPdを目標とし、かつバッテリ4の蓄電量BsocがBmx−Bex以上の場合には、第1モータ2に連結されたサンギア11は、その回転方向がエンジン1に連結されたキャリア14の回転方向と同じになるように制御する。
ステップS74では式(1)と、エンジン1の目標回転速度tNeと、第2モータ3の回転速度Nmから第1モータ2の目標回転速度tNgを式(16)により設定する。
ステップS76では、第1モータ2の回転速度Ngと目標回転速度tNgとの差sTgに応じてNgをtNgに収束させるためのPIDフィードバック制御に用いるフィードバック制御値(第1モータ2の目標トルク)tTgを演算する。この第1モータ2の目標トルクtTgは、比例ゲインPe、積分ゲインIe、微分ゲインDeを設定して下記式(17)により演算される。
ステップS78では、式(4)と第1モータ2の目標トルクtTgから第2モータ3の目標トルクtTmを式(18)の通り設定する。
ステップS80では、エンジン1の目標トルクtTeに応じてエンジン1を制御し、モータ2の目標トルクtTgに応じて第1モータ2を制御し、第2モータ3の目標トルクtTmに応じて第2モータ3を制御する。
したがって、この実施形態では、バッテリ4に蓄電余裕Bexを確保しておくため、エンジンの回転速度を上昇するためにモータを発電させる必要があるとき、発電された電力をこの蓄電余裕分を有するバッテリ4に充電できる。つまり、エンジンの回転速度を上昇させてエンジンブレーキを使用することができ、車両の下り坂走行時等の制動性能を向上できる。
また図7の実施形態では、バッテリ4に蓄電余裕分を備え、蓄電余裕分に蓄電するようにしたが、ステップS56及びステップS68における演算で使用されているバッテリ4の蓄電余裕Bexを0として、バッテリ4が満充電の状態で、かつエンジンブレーキ等を利用するためにエンジン1の回転速度を上昇させるに、第1モータ2が発電しなくてはならない場合には、車両に搭載されたエアコンやオイルポンプ等の補機類の負荷を走行に支障のない範囲で上昇させることによって、第1モータ2で発電した回生電力を消費するようにしてしても良い。
図12のフローチャートは、ハイブリッド車両のコントローラ5による駆動トルク配分制御の他の実施形態を示すものである。
まず、ステップS90では、アクセルペダル7の踏み込み量Apと従動輪17の回転数センサ22で検出した車体速Vspから車両の要求駆動トルクtTdを図3に示すマップに従い設定する。なお車体速Vspは従動輪17の回転速度に従動輪17の半径を乗じた値とする。
ステップS92では、車両の目標駆動仕事率tPdを駆動輪の半径Rwを用いて式(19)の通り演算する。
ステップS94では、バッテリ4の蓄電量Bsocからエンジン始動仕事率閾値Pthを図4に示すマップに従い設定する。
ステップS96では、車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより大きいかどうかを判定し、目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pthより大きいならばステップS98に進む。一方、ステップS96でtPdがPth以下ならば、ステップS114に進む。
ステップS98では、バッテリ4の蓄電量Bsocとバッテリ4の目標蓄電量Bmeanから、比例ゲインPed、積分ゲインIed、微分ゲインDedを設定し、BsocをBmeanに収束させるようなバッテリ4の充放電要求電力tPbを式(20)より求める。なお、Bmeanはバッテリ4の最大蓄電量Bmxと最小蓄電量Bmnとの間に設定される値であり、コントローラ5を製造する段階でROMに記憶させておく。
ステップS99では、バッテリ4の蓄電量Bsocが、バッテリ4の最大蓄電量Bmxからバッテリ4の蓄電余裕Bexを差し引いたバッテリ4の蓄電量閾値Bth(=Bmx−Bex)より小さいかどうかを判定し、蓄電量閾値Bthより小さいならばステップS100に進む。一方、ステップS99でBsocがBth以上ならばステップS104に進む。なおバッテリ4の蓄電余裕Bexは第2の実施形態と同様の手順で求める。
ステップS100では、車両の目標駆動仕事率tPdと、バッテリ4の充放電要求電力tPbとの和をシステム要求仕事率tPとする。この場合にはバッテリ4に蓄電可能量が残っているので、システム要求仕事率tPを達成するようにエンジン1、第1モータ2や第2モータ3制御することができる。
ステップS102では、システム要求仕事率tPを、エンジン1が効率の高い運転ポイントで実現できるよう、コントローラ5のROMにマップとして記憶してある図5の動作曲線αを基に設定する。
一方、ステップS99でバッテリ4の蓄電量Bsocが蓄電量閾値Bth以上の場合に進むステップS104では、バッテリ4の充放電要求電力tPbと0の内、小さい方の値をtPbに再設定する。即ち、バッテリ4の蓄電量Bsocがバッテリ4の蓄電量閾値Bth以上ならば、これ以上バッテリ4への充電を禁止するように制御を行う。
ステップS106では、車両の目標駆動仕事率tPdと、バッテリ4の充放電要求電力tPbとの和をシステム要求仕事率tPとする。
ステップS108では、システム要求仕事率tPを、エンジン1が効率の高い運転ポイントで実現できるよう、コントローラ5のROMにマップとして記憶してある図5の動作曲線αを基に設定する。
ステップS110では、エンジン1の目標回転速度tNeをモータ2の回転速度Ngが0以上となるように再設定する。具体的には第1モータ2の回転速度Ngが0となるようなエンジン1の回転速度tNedを式(21)から求め、このtNedと設定済みのtNeの内、大きい方の値を目標回転速度tNeとして再設定する。
ここで、ステップS25と同様に第1モータ2の回転速度が0になるようにエンジン1の目標回転速度tNeを設定するが、第1モータ2の回転速度が負の回転速度から0になるまで第1モータ2は発電を伴う回生状態となる。しかしながら、この制御はバッテリ4が満充電になる前(蓄電量BsocがBthを越えたとき)に開始されるので、回生発電分を充電することができる。そして第1モータ2の回転速度が0で、第1モータ2が力行可能状態になり、第1モータ2の力行によりエンジン1の回転速度が上昇してエンジンブレーキが使用できる状態となる。
ステップS112では、エンジン1がシステム要求仕事率tPを目標回転速度tNeで実現できる目標トルクtTeを再設定する。具体的には、図5の曲線Pe_eq1からPe_eq3のようにエンジン1から出力される動力が一定となるラインの内、図13の通りtPを実現するラインPe_eq_tPを選択し、このラインPe_eq_tP上でtNeを実現するtTeを求める。
なお、エンジン1から出力される動力が一定となるラインは、ステップS26におけるtTeの再設定によって本車両の運転性能を低下させないような間隔で出力動力毎に予め実験的に求めておき、コントローラ5のROMにマップとして記憶しておく。
ステップS96で車両の目標駆動仕事率tPdがエンジン始動仕事率閾値Pth以下の場合に進むステップS114では、エンジン1の目標トルクtTeをtTe=0に設定する、即ちエンジン1への燃料供給を停止するように制御を行う。
ステップS116では、バッテリ4の蓄電量Bsocがバッテリ4の蓄電量閾値Bth(=Bmx−Bex)より小さいかどうかを判定し、蓄電量閾値Bthより小さいならばステップS118に進む。一方、BsocがBth以上ならばステップS120に進む。
ステップS118では、エンジン1の目標回転速度tNeをtNe=0に設定する。このステップでは、バッテリ4の蓄電量にまだ余裕があると判断し、第2モータ3の回生トルクで負の値である目標駆動仕事率tPdを達成する。第2モータの回生発電分の電力は、蓄電量に余裕のあるバッテリ4に充電される。このようにして回生制動により車両の制動性能を確保することができる。また、目標駆動仕事率tPdが正の値である場合には、第1モータ2で回生発電が行われるが、この発電電力をバッテリ4に充電または第2モータ3に供給してもよい。
ステップS120では、バッテリ4の蓄電量Bsocがバッテリ4の最大蓄電量Bmxより小さいかどうかを判定し、最大蓄電量Bmxより小さいならばステップS122に進む。一方、ステップS120でBsocがBmx以上ならばステップS124に進む。
ステップS122では、エンジン1の目標回転速度tNeを第1モータ2の回転速度Ngが0以上となるように再設定する。具体的には第1モータ2の回転速度Ngが0となるようなエンジン1の目標回転速度tNeを式(22)の通り求める。
ここで、ステップS110と同様に第1モータ2の回転速度が0になるようにエンジン1の目標回転速度tNeを設定するが、第1モータ2の回転速度が負の回転速度から0になるまでは、第1モータ2は発電を伴う回生状態となる。しかしながら、この制御はバッテリ4が満充電になる前(蓄電量BsocがBthを越えたとき)に開始されるので、回生発電分を充電することができる。そして第1モータ2の回転速度が0で、第1モータ2が力行可能状態になり、第1モータの力行によりエンジン1の回転速度が上昇してエンジンブレーキが使用できる状態となる。
ステップS124では、図6より目標駆動仕事率tPdを実現するようなエンジン1の回転速度をtNeに設定する。即ち、ステップS124では負値となっている目標駆動仕事率tPdをエンジン1のフリクションで実現するように制御する。
このステップではバッテリ4の蓄電量が満充電量に達し、第1モータ2の回転速度がエンジン1の目標回転速度tNeに制御される。ここで、ステップS122では第1モータ2の回転速度は0になるように制御されているため、このステップでの第1モータ2は力行制御となる。エンジン1の回転速度が目標回転速度tNeに達すると、エンジンの摩擦トルクのみで目標駆動仕事率tPdを達成することができる。
この実施形態の制御内容は、車両の下り坂走行を想定しており、この走行状態で、バッテリ4の蓄電量に余裕がある場合(ステップS118)には、第2モータ3の回生トルクで負の目標駆動仕事率tPdを達成するように制御し、バッテリ4の蓄電量に余裕が少ない満充電状態に近い状態になった場合(ステップS122)には、満状態となる前に第1モータ2を0に制御し、力行制御に移行してエンジンブレーキ使用可能状態とする。そして、バッテリ4の蓄電量が満充電状態となった場合(ステップS124)には第1モータ2の力行制御によりエンジン1の回転速度を上昇してエンジンブレーキを使用して目標駆動仕事率tPdを達成する。
ステップS126では、エンジン1の目標回転速度tNeを第1モータ2の回転速度Ngが0以上となるように再設定する。具体的には第1モータ2の回転速度Ngが0となるようなエンジン1の回転速度tNedを式(23)から求め、このtNedと設定済みのtNeの内、大きい方の値を目標回転速度tNeとして再設定する。
ステップS128では、式(1)と、エンジン1の目標回転速度tNeと、第2モータ3の回転速度Nmからモータ2の目標回転速度tNgを式(24)から設定する。
ステップS130では、第1モータ2の回転速度Ngと目標回転速度tNgとの差sTgに応じてNgをtNgに収束させるためのPIDフィードバック制御に用いるフィードバック制御値(第1モータ2の目標トルク)tTgを演算する。この第1モータ2の目標トルクtTgは、比例ゲインPe、積分ゲインIe、微分ゲインDeを設定して式(25)により演算される。
ステップS132では、式(4)とモータ2目標トルクtTgから第2モータ3の目標トルクtTmを式(26)から設定する。
ステップS134では、エンジン1の目標トルクtTeに応じてエンジン1を制御し、第1モータ2の目標トルクtTgに応じて第1モータ2を制御し、第2モータ3の目標トルクtTmに応じて第2モータ3を制御する。
この実施形態においては、バッテリ4の蓄電量Bsocが蓄電量閾値Bth以上の場合で、かつ車両の要求駆動力tTdが負の状態の場合には、コントローラ5が第1モータ2を力行制御することによって、エンジン1の回転速度が上昇する運転状態としてエンジンブレーキが利用できるようにし、下り坂走行時等の制動性能を向上することができる。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
本発明を適用したハイブリッド車両の駆動トルク配分制御は、バッテリ充電状態が満充電状態での下り坂走行時の制動力を向上したのでハイブリッド車両の安全走行に有効である。
1 エンジン
2 第1モータ
3 第2モータ
4 バッテリ
5 コントローラ
6 インバータ
10 遊星歯車機構
11 サンギア
12 ピニオンギア
13 リングギア
14 キャリア
15 差動装置
16 駆動輪
2 第1モータ
3 第2モータ
4 バッテリ
5 コントローラ
6 インバータ
10 遊星歯車機構
11 サンギア
12 ピニオンギア
13 リングギア
14 キャリア
15 差動装置
16 駆動輪
Claims (6)
- 燃料を消費して駆動力を発揮するエンジンと、第1モータと、第2モータと、前記エンジンの回転軸に接続される回転軸と前記第1モータの回転軸に接続される回転軸と前記第2モータの回転軸および車両の駆動輪に接続される回転軸とを有する差動歯車機構と、前記第1モータおよび第2モータとの間で電力の授受を行う蓄電装置とを備え、車両の目標駆動力が正のしきい値より小さいときに前記エンジンへの燃料供給を停止し、前記目標駆動力が前記しきい値より大きいときに前記エンジンへ燃料を供給するハイブリッド車両の制御装置において、
前記目標駆動力が前記しきい値より小さく、前記蓄電装置の蓄電量が前記蓄電装置の最大蓄電量に達し、前記目標駆動力が正であるときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記第1モータの回転速度をゼロ以上に制御することを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。 - 燃料を消費して駆動力を発揮するエンジンと、第1モータと、第2モータと、前記エンジンの回転軸に接続される回転軸と前記第1モータの回転軸に接続される回転軸と前記第2モータの回転軸および車両の駆動輪に接続される回転軸とを有する差動歯車機構と、前記第1モータおよび第2モータとの間で電力の授受を行う蓄電装置とを備え、車両の目標駆動力が正のしきい値より小さいときに前記エンジンへの燃料供給を停止し、前記目標駆動力が前記しきい値より大きいときに前記エンジンへ燃料を供給するハイブリッド車両の制御装置において、
前記目標駆動力が負であり、前記蓄電装置の蓄電量が前記蓄電装置の許容蓄電範囲を越えたときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記第1モータの回転速度をゼロ以上に制御することを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。 - 前記目標駆動力が負であり、前記蓄電量が前記許容蓄電範囲を越えたときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記第1モータの回転速度をゼロに制御するとともに、前記目標駆動力が負であり、前記蓄電量が前記許容蓄電範囲を越えて前記蓄電装置の最大蓄電量に達したときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記第1モータの回転速度をゼロより高い正の回転速度に制御することを特徴とする請求項2に記載のハイブリッド車両の制御装置。
- 燃料を消費して駆動力を発揮するエンジンと、第1モータと、第2モータと、前記エンジンの回転軸にキャリアの回転軸が接続され前記第1モータの回転軸にサンギアの回転軸が接続され前記第2モータの回転軸および車両の駆動輪にリングギアの回転軸が接続される遊星歯車機構と、前記第1モータおよび第2モータとの間で電力の授受を行う蓄電装置とを備え、車両の目標駆動力が正のしきい値より小さいときに前記エンジンへの燃料供給を停止し、前記目標駆動力が前記しきい値より大きいときに前記エンジンへ燃料を供給するハイブリッド車両の制御装置において、
前記目標駆動力が負であり、前記蓄電装置の蓄電量が前記蓄電装置の許容蓄電範囲を越えたときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記サンギアの回転速度がゼロあるいは前記サンギヤの回転方向が前記キャリアの回転方向と同一になるよう前記第1モータの回転速度を制御することを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。 - 前記目標駆動力が負であり、前記蓄電量が前記許容蓄電範囲を越えたときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記サンギアの回転速度がゼロになるよう前記第1モータの回転速度を制御するとともに、前記目標駆動力が負であり、前記蓄電量が前記許容蓄電範囲を越えて前記蓄電装置の最大蓄電量に達したときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記サンギアが前記キャリアと同一の方向に回転するよう前記第1モータの回転速度を制御することを特徴とする請求項4に記載のハイブリッド車両の制御装置。
- 前記目標駆動力が負であり、前記蓄電量が前記許容蓄電範囲内であるときに、前記エンジンへの燃料供給を停止したまま前記サンギアの回転速度がゼロになるよう前記第1モータの回転速度を制御する
ことを特徴とする請求項4または5に記載のハイブリッド車両の制御装置。
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