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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit elektromotorischem Antrieb,
bei dem der Fahrer die Motorleistung über eine Tretkurbel steuert.
Solche Fahrzeuge ermöglichen
dem Benutzer körperliche
Aktivität
während
des Fahrens und dienen gleichermaßen der Fitneß und dem
Wohlbefinden. Sie vermitteln ein einzigartiges, aktives Fahrgefühl, das
sich ganz deutlich von dem konventioneller Motorfahrzeuge unterscheidet.
Dabei stammt die zur Fortbewegung des Fahrzeuges notwendige Energie
zumindest zu einem wesentlichen Teil aus elektrischen Energiequellen wie
Batterien oder Brennstoffzelle, so dass der Fahrer selbst an Steigungen
und bei höherem
Fahrzeuggewicht nicht physisch überfordert
wird.
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Oft
sind solche Fahrzeuge fahrradähnliche, mit
wenigen hundert Watt motorisierte Zweiräder und in den vergangenen
Jahren als sogenannte Pedelecs in beträchtlicher Stückzahl verkauft
worden. Kennzeichen dieser hilfsmotorisierten Fahrräder ist
die Beibehaltung einer mechanischen Transmission zwischen Tretkurbel
und Hinterrad. Das Prinzip der Steuerung des Motors über eine
Tretkurbel muss aber nicht auf Fahrräder beschränkt bleiben. Die Anwendung
bei drei- oder vierrädrigen
Fahrzeugen ist ebenfalls vielversprechend. Unter
DE 198 55 585 A1 ist ein
vierrädriges,
vollverkleidetes, mehrsitziges und wesentlich stärker motorisiertes Fahrzeug
bekannt geworden, bei dem die Motorleistung durch die Art der Tretaktion
gesteuert wird, und das eine intelligente Sensorik und Datenverarbeitung
besitzt, die ein gutes Feedback an der Tretkurbel erzeugt. Fahrzeuge
des Oberbegriffs bieten gleichermaßen Komfort und höchste Energieeffizienz
und können
daher eine wichtige Rolle bei der Umstellung auf eine nachhaltige
Mobilität
spielen, die angesichts der sich abzeichnenden Ölverknappung und der CO
2-Klimaproblematik dringend geboten ist.
Ihr bevorzugtes Einsatzgebiet ist der urbane Raum, indem in naher
Zukunft bereits 70% aller Menschen leben werden. Zudem erlauben
sie den Benutzern die für
die Gesundheit so wichtige körperliche
Betätigung
während
der Zeit, die sie ohnehin im Verkehr verbringen müssen.
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Während schwach
motorisierte Pedelecs Muskel- und Motorkraft auf relativ simple
Art kombinieren, meist über
einfache An-/Ausschalter, aber auch durch Kraftmessungen im Zugtrum
der Kette oder über
Drehmomentmessungen an der Kurbelwelle
(DE 699 35 750 T2 ,
CA 2 514 903 A1 ,
DE 699 31 625 T2 )
oder in der Hinterradnabe (
CA
2 319 848 A1 ) und mit einer der Tretleistung meist im Verhältnis 50:50
proportionalen Motorleistung, ist bei stärker motorisierten und schwereren
Fahrzeugen eine komplexere Steuerung notwendig, um eine rasche Reaktion
des Fahrzeugs auf den Fahrerwillen zu ermöglichen. Eine einfache Proportionalität der Motorleistung
zur Tretkraft würde
durch die hohe Drehmomentschwankung der Tretkurbel während einer
Umdrehung ein unerwünscht
starkes Pulsieren der Antriebsleistung verursachen. Man könnte das
Pulsieren dadurch unterdrücken,
dass der Abgriff der Tretkraft stets im Maximalwert erfolgt, dann
ist die Regelungsreaktion aber sehr träge und dauert mindestens eine
halbe Tretkurbelumdrehung. Ein zweiter Weg bietet sich durch das
Verfahren der Mittelwertbildung über
mehrere Tretkurbelumdrehungen wie dies in
CA 2 319 848 A1 beschrieben
ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist damit aber nicht verbessert,
da die Mittelwertbildung lediglich zu einer sukzessiven Anpassung
führt.
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Wie
dieses Problem zu lösen
ist, ist in oben erwähnter
DE 198 55 585 A1 beispielgebend
aufgezeigt. Der große
Fortschritt ist dabei der ständige
Vergleich zwischen aktuellen winkelbezogenen Drehmomentwerten mit
gespeicherten Daten zum typischen Drehmomentverlauf während einer
Tretkurbelumdrehung, denn damit ist eine ideale Glättung bei
gleichzeitig extrem kurzer Reaktionszeit erreicht. In dieser Patentschrift
ist in erster Linie ein mechanisches und somit entsprechend aufwändiges,
teures und wartungsintensives Kraftübertragungssystem zwischen Tretkurbel
und Hinterrad beschrieben, das mit einem Kraft- und einem Drehwinkelsensor
verbunden ist. Nur kurz wird die Möglichkeit einer elektrischen
Kraftübertragung
aufgezeigt mit einer Drehmomenterfassung über die Stromwerte des Generators
(dort in Anspruch 12).
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Dabei
entsteht aber das gravierende Problem, dass ohne eine mechanische
Kopplung von Tretkurbel und Fahrzeugrad der ergonomisch bedingte,
unrunde Tritt des Fahrers zu einer sich zyklisch ändernden
Tretfrequenz führt,
was einen unerwünschten
und irritierenden Gummibandeffekt erzeugt, der das wichtige Feedback
zur Fahrzeugbewegung weitgehend zerstört. In
WO 00/59773 A2 ist ein
Fahrzeugantrieb beschrieben, der dieses Grundproblem der elektrischen
Krafttransmission, das beim Anfahren eines Zweirades besonders kritisch
auftritt, durch eine spezielle Anfahrsteuerung zu beheben versucht,
indem der Generator unmittelbar nach Tretbeginn ein hohes Gegenmo ment
bis zur Erreichung einer sicheren Fahrgeschwindigkeit von etwa 2
m/s erzeugt. Die Dauer dieser speziellen Anfahrsteuerung ist mit
ca. zwei Sekunden angegeben, danach geht das System in den Normalbetrieb über. Zielgröße des Regelprozesses
ist dabei ein bestimmtes Gegenmoment von mindestens 40 Nm schon
bei sehr kleinen Winkelgeschwindigkeiten der Tretkurbel. Dies erfolgt
durch den kurzzeitigen Einsatz von elektrischer Energie, mit der
ein starkes magnetisches Gegenfeld im Generator erzeugt wird. Nicht
behoben sind aber die grundsätzliche
Probleme der zyklischen Drehzahlschwankung im Fahrbetrieb und der
Entkopplung der Tretkurbeldrehzahl von der Fahrgeschwindigkeit.
Damit ist sowohl der Fahrkomfort durch die zyklische Schwankung
der Antriebsleistung als auch das Feedback zur Fahrgeschwindigkeit stark
beeinträchtigt,
was einen Markterfolg in Frage stellt.
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Die
großen
Fortschritte der Elektronik und der elektrischen Antriebstechnik
hinsichtlich Preis, Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz legen
es trotz der dargelegten Schwierigkeiten nahe, auf eine mechanische
Kraftübertragung
zwischen Tretkurbel und Rädern
zu verzichten und ganz auf eine elektrische bzw. elektronische Lösung zu
setzen, um die damit verbundenen Kostenvorteile nutzen zu können. Fahrzeuge
definieren sich heute immer mehr über das durch sie vermittelte
Fahrgefühl,
also ganz wesentlich durch die Gestaltung der Schnittstelle zwischen Mensch
und Fahrzeug. Nur eine Überwindung
der oben genannten Schwierigkeiten kann zu einem überzeugenden
Fahrgefühl
führen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges, wartungsarmes und
komfortables Elektrofahrzeug des Oberbegriffs zu entwickeln, das keine
durchgehende mechanische Kraftübertragung zwischen
Tretkurbel und Fahrzeugrad benötigt.
Dabei soll die Motorleistung über
die Tretkurbel des Fahrers auf elektronischem Weg und mit optimalem Feedback
gesteuert werden können
ohne ein unerwünschtes
Pulsieren der Motorleistung und ohne eine zyklische Tretfrequenzänderung.
Die Lösung dieser
Aufgabe ist entscheidend für
die Entstehung des angestrebten Siebenmeilenstiefel-Effektes: Der Fahrer
erlebt dann, dass jede Änderung
seiner Tretaktion unmittelbar zu einer entsprechenden Reaktion des
Fahrzeuges führt,
so als wäre
seine Kraft vervielfacht und als hätte das Fahrzeug kaum Gewicht. Idealerweise
nimmt er dabei nicht nur den Fahrwiderstand, sondern auch die Fahrzeuggeschwindigkeit, bzw.
deren Ände rung
unmittelbar über
die Pedale wahr, ganz ähnlich
wie beim konventionellen Fahrrad. Das damit verbundene frappierende
Fahrerlebnis, nämlich
die enorme Steigerung der eigenen Bewegungspotenz, ist für den Markterfolg
ganz entscheidend, denn damit wird der Käufer auf einzigartige Weise
emotional positiv angesprochen. Aufgabe der Erfindung ist es ferner
Fahrspaß und
Komfort maximal zu erhöhen,
z. B. durch die Möglichkeit
des automatischen Schattens von virtuellen Gängen, durch eine automatische
Adaption des Systems an die Eigenheiten der individuellen Tretaktion
und durch eine breite Wahl verschiedener Fahrprogramme. Darüber hinaus
soll das Fahrzeug auch für
gezieltes Training im Sport- und Rehabereich geeignet sein.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass ein Fahrzeug des Oberbegriffs mit einer durch den Bordrechner
(4) in ihrer Bremswirkung regelbaren Bremsvorrichtung (2)
ausgestattet wird, die mit der Tretkurbel (1) direkt oder über ein
Getriebe (16) verbunden ist und die die Aufgabe hat, die
Drehzahl (f) der Tretkurbel unabhängig von ihrem Drehmoment (TM)
auf eine Solldrehzahl (n) einzustellen. Dazu muss die Bremsvorrichtung
(2) eine auf die menschliche Tretkraft und Tretleistung
abgestimmte Bremskraft und Bremsleistung besitzen und in ihrer Bremskraft,
z. B. servomotorisch oder elektrisch, verstellbar sein. Die Bremsvorrichtung
(2) kann eine Reibungsbremse oder eine Wirbelstrombremse
oder dergleichen sein, was den Vorteil der geringen Kosten und des
geringen Gewichts hat, oder sie kann ein entsprechend dimensionierter
Generator (3) sein, was den Vorteil der energetischen Nutzung
der Muskelleistung des Fahrers hat.
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Drehwinkel
(ω) und
Drehzahl (f) der Tretkurbel (1) werden durch geeignete
Sensoren, z. B. einen Drehwinkelsensor (5) oder durch eine
zur Erfassung dieser beiden Größen entsprechend
ausgerüstete Bremsvorrichtung
(2) oder einen Generator (3) erfasst, vorzugsweise
mit einer Auflösung
feiner als 10°,
um eine Drehzahländerung
rasch erkennen zu können.
Die Sensordaten werden an den Bordrechner (4) übermittelt.
Aus dem Vergleich der aktuellen Drehzahl (f) mit der Solldrehzahl
(n) generiert der Bordrechner (4) in einem ersten Regler
(R1) ein Steuersignal (BMS) für
die Bremsvorrichtung (2) nach folgendem Prinzip: Bei einem
Unterschreiten der Solldrehzahl (n) wird das Bremsmoment (BM) erniedrigt,
bei einem Überschreiten
der Solldrehzahl (n) wird das Bremsmoment (BM) erhöht, solange
bis die Solldrehzahl (n) wenigstens annähernd erreicht ist, also f
= n ist. Dies bedeutet andererseits, dass der erste Regler (R1)
das vom Fahrer aufgebrachte momentane Drehmoment (TM) stets durch
die Erzeugung des gleichwertigen Bremsmoments (BM) auszugleichen
versucht. Wichtig ist hierbei, dass dieser Regler (R1) inklusive
der Bremsmomentverstellung schnell genug arbeitet, um innerhalb
von Sekundenbruchteilen auf kurzzeitige Drehzahl- und Drehmomentschwankungen
reagieren zu können.
Es wird daher auch vorgeschlagen eine Bremsvorrichtung (2) mit
relativ kleinem Massenträgheitsmoment
zu verwenden.
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Wenn
ein Generator (3) als Bremsvorrichtung (2) verwendet
wird, muss sein Bremsmoment (BM) bzw. Drehmoment regelbar sein.
Dies ist am größten, wenn
der Generatorstromkreis kurzgeschlossen wird, am geringsten, wenn
der Stromkreis offen ist. Es wird auch vorgeschlagen, den Bremsmomentregler
(13) des Generators (3) über das Öffnungsverhältnis des Stromkreises nach
dem Verfahren der Pulsweitenmodulation zu betreiben. Speist man
den Generatorstrom ins Bordnetz, z. B indem man in den Generatorstromkreis
ein DC-Ladegerät (14)
für die
Traktionsbatterie (7) einfügt oder den Fahrmotor (8)
direkt damit versorgt, kann man energetischen Nutzen aus der Tretarbeit
des Fahrers ziehen. Damit sinkt der Energieverbrauch ab Netz, umso
mehr, je leichter und langsamer das Fahrzeug ist. Um den Generatorstrom
nutzen zu können,
muss die Generatorspannung bei der vorgesehenen Betriebsdrehzahl
ausreichend hoch sein, ggf. muss ein Spannungswandler verwendet
werden.
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Da
das Drehmoment (TM) einer durch den Fahrer betätigten Tretkurbel (1)
aus ergonomischen Gründen
während
einer Tretkurbelhalbumdrehung stark schwankt (3) – in der
Fachliteratur (Michael Gressing, Fahrradphysik und Biomechanik,
Moby Dick Verlag, Kiel, 2003, 8. Auflage, S. 180) wird für den typisch
unrunden Tritt der Faktor 5 angegeben-, findet ein ständiger Regelprozess
während
dieser Halbumdrehung statt, d. h. das erforderliche Bremsmoment
(BM) variiert um den gleichen Faktor. Entsprechend schwankt das
Steuersignal (BMS). Somit repräsentiert
es auch den Verlauf und die Höhe
der momentanen Fahrerleistung, bzw. des Drehmoments (TM) der Tretkurbel.
Mit der einfachen Aufgabe für den
ersten Regler (R1), die Tretkurbeldrehzahl (f) am Sollwert (n) zu
halten um den Gummibandeffekt zu eliminieren, entsteht – ohne dass
Kraftsensoren nötig wären und
quasi als Nebenprodukt – die
Information darüber,
welche Drehmomentwerte an welcher Tretkurbelposition auftreten.
Damit hat man die Schlüsselinformation
für den
zweiten Regler (R2), der daraus und anhand gespeicherter Daten über den
winkelaufgelösten
Drehmomentverlauf den Fahrerwillen ermittelt und unter Berücksichtigung
des eingestellten Fahrprogramms (FP) ein entsprechendes Motorsignal
(PM) generiert. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, das
aktuelle Drehmoment (TM) der Tretkurbel (1) direkt durch
Kraftsensoren an der Tretkurbel (1) oder im Zugtrum des
Getriebes (16) oder an der Bremsvorrichtung (2)
zu messen und an den zweiten Regler (R2) zu übermitteln.
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Die
Ermittlung des Fahrerwillens im zweiten Regler (R2) erfolgt nach
folgender Methode: Der aktuelle Drehmomentwert (TM) wird mit einem
zuvor in Testreihen an gleicher Tretkurbelposition ermittelten Referenz-Drehmomentwert
(MR) verglichen, den ein Fahrer bei einer mittleren Tretleistung
von z. B. 100 W erzeugt. Dieser mittleren Tretleistung wird eine
bestimmte Antriebsleistung des Fahrmotors (8) zugeordnet,
die im Allgemeinen für
die Erreichung der geplanten Fahrzeuggeschwindigkeit ausreicht.
Dies können
z. B. 2 kW sein. Liegt der aktuelle Drehmomentwert (TM) über dem
Referenzmoment (RM), bedeutet dies, dass der Fahrer mehr Motorleistung (PM)
anfordern will und es wird proportional zur Differenz (TM – RM) mehr
Motorleistung angesteuert als die, die der Fahrmotor bei 100 W Tretleistung
liefern soll. Entsprechendes gilt bei einem geringeren aktuellen
Drehmomentwert (TM) als dem Referenzmoment (RM), dann wird weniger
Motorleistung angesteuert. Der Regler (R2) erzeugt ein entsprechendes Motorleistungssignal
(PMS), das die Motorleistungssteuerung (9) ansteuert. Das
im Bordrechner (4) bzw. in diesem Regler (R2) gespeicherte
Kennfeld für
die Beziehung zwischen Drehmoment (TM) und Drehwinkel (ω) der Tretkurbel
(1) und angeforderter Motorleistung (PM) besteht also aus
einer Schar von Kurven, die das Drehmoment (TM) über den Drehwinkel (ω) abbilden
und denen jeweils ein bestimmter Fahrerwille, z. B. ausgedrückt in Prozent
angeforderter Motorleistung (PM) oder Motordrehmoment zugeordnet
ist (4).
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Dieses
Kennfeld ist vom Fahrprogramm (FP) anhängig. So kann z. B. die Referenzkurve
auf 150 W Tretleistung im Sportprogramm oder auf 50 W im Komfortprogramm
bezogen sein. Auch kann der Abstand der Scharkurven variabel sein,
also bezogen z. B. auf 5%-Schritte, in der Motorleistung enger oder weiter
sein, womit der Verstärkungsfaktor
progressiv oder degressiv gestaltet werden kann. Zudem kann die
Form der Scharkurven in gewissen Grenzen unterschiedlich sein, um
eine Anpassung an individuelle Eigenheiten der Tretbewegung bei
unterschiedlichen Leistungen berücksichtigen
zu können.
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Zusätzlich können vom
Fahrprogramm abhängige
weitere Umrechnungen des Motorsignals vorgenommen werden, um z.
B. einen Kick-Down-Effekt (KD) zu erzeugen, bei dem bei einem kräftigen Anstieg
des Drehmoments (TM) der Tretkurbel in kurzer Zeitspanne überproportional
mehr Motorleistung für
kurze Zeit zur Verfügung
gestellt wird, was hilfreich bei Start- und Überholvorgängen sein kann. Vorzugsweise
wird erhöhte
Fahrerleistung durch ein spritzigeres Fahrverhalten mit mehr Motorspitzenleistung,
mit höherer
Spitzengeschwindigkeit und mit einer kürzeren Reaktionszeit belohnt.
Dadurch wird der Fahrer immer wieder zu körperlicher Leistung animiert.
Das Ausmaß der
körperlichen
Belastung ist jedoch in weiten Grenzen frei bestimmbar, d. h. sowohl
ein komfortables Fahren mit nur geringer körperlicher Belastung ist ebenso
möglich
wie ein sehr sportliches Fahren mit hohem körperlichen Einsatz aber auch
mit hoher Fahrzeugagilität.
So wird Leistung belohnt.
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Die
Bestimmung der jeweiligen Solldrehzahl (n) erfolgt im dritten Regler
(R3) nach den Vorgaben des gewählten
Fahrprogramms (FP). Die Solldrehzahl (n) ist vorzugsweise variabel
und der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) direkt proportional, solange
ein bestimmtes virtuelles Übersetzungsverhältnis (i)
gilt. Da die meisten Menschen einen relativ engen Bereich komfortabler
Tretfrequenz haben, sind erfindungsgemäß eine Mehrzahl von virtuellen
Gängen vorgesehen.
Sie werden nach Ober- (no) und Untergrenzen
(nu) der Tretfrequenz geschaltet, wobei
die Schaltkurve (S) eine Hysterese – so wie bei anderen automatischen
Getriebe auch – aufweist,
um ein ständiges
Hin- und Herschalten
zu vermeiden (2). Erfindungsgemäß wird auch
ein Schalten nach einer Obergrenze des Drehmoments (TM) der Tretkurbel
vorgesehen, um eine Überlastung
der Tretkurbelkinematik und der Bremsvorrichtung (2) zu vermeiden.
D. h., sobald ein bestimmtes Drehmoment überschritten wird, wird der
nächst
kleinere virtuelle Gang "eingelegt". Vorzugsweise erfolgt
das Anfahren automatisch im kleinsten Gang. Dadurch können die
Bremsvorrichtung (2) bzw. der Generator (3) und
ein eventuelles Übersetzungsgetriebe
(11) besonders leicht gebaut werden. Es ist auch möglich, eine
manuelle Schaltung der Gänge
statt der automatischen vorzunehmen, wobei es dann ratsam ist, beim Überschreiten
der Drehmomentgrenze wieder selbsttätig in den nächstkleineren
Gang zu schalten um die Bremsvorrichtung (2) nicht wesentlich
stärker dimensionieren
zu müssen.
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Es
ist sinnvoll, aber nicht zwingend alle drei oben beschriebenen Regler
(R1, R2, R3) in den Bordrechner (4) zu integrieren. Es
wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen
im Bordrechner (4) eine Messroutine zu implementieren,
die die persönliche Drehmomentkurve
des Fahrers über
den vollen Drehwinkel der Tretkurbel ermittelt und abspeichert und
zwar in quasistationären
Tretzuständen,
also wenn weder das über
eine volle Umdrehung gemittelte Drehmoment (MM) der Tretkurbel (1)
noch ihre Drehzahl (f) wesentliche Änderungen erfährt. Eine Mehrzahl
solcher Kurven wird dann zu einer persönlichen Kurve gemittelt und,
ggf. gewichtet mit der in Reihentests ermittelten Kurve, als Referenzkurve (RK)
für das
persönliche
Kennfeld herangezogen werden. Somit ist eine selbsttätige Adaption
des Systems auf den individuellen Tretstil des jeweiligen Fahrers
möglich,
was es erlaubt ungleiche Beinkräfte
und andere ergonomische Besonderheiten zu berücksichtigen und so die ungewollten
Leistungsschwankungen des Fahrmotors (8) minimiert. Damit
erhöht sich
die Bindung der Fahrzeugreaktion an den Fahrerwillen.
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Da
das System ohnehin eine permanente Messung der Fahrerleistung und
des Verlaufs des Drehmoments (TM) der Tretkurbel über eine
volle Umdrehung vornimmt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dem Fahrer
diese wertvolle Information auf einem Display (12) anzuzeigen,
um sein Training zu verbessern und seinen Leistungswillen anzuspornen. Durch
die Einblendung der leistungsphysiologisch optimalen Drehmomentkurve
(OK) des "runden Tritts" ist eine ideale
Basis für
eine gezielte Bewegungsschulung gegeben.
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Bei
zwei- und mehrsitzigen Fahrzeugen wird vorgeschlagen, dem Beifahrer
oder den Beifahrern auf gleiche Weise sportliche Betätigung zu
ermöglichen,
indem ihnen jeweils eine weitere Tretkurbel mit entsprechender Bremsvorrichtung
zur Verfügung
gestellt wird. Die Drehzahl der jeweiligen Tretkurbel wird nach
dem gleichen Verfahren kontrolliert und die Tretleistung und der
Drehmomentverlauf werden genauso erfasst und angezeigt. Ein Motorleistungssignal
(BMS) wird aber normalerweise nicht ausge geben, da der Fahrer sonst
nicht mehr die volle Kontrolle über
das Fahrzeug hat.
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Der
auf oben beschriebene Weise angesteuerte Fahrmotor (8)
bezieht seine Energie zumindest überwiegend
aus einer Stromquelle, also einer Traktionsbatterie (7)
oder einer Brennstoffzelle, die am Stromnetz, bzw. an speziellen
Tankstellen aufgeladen bzw. betankt werden können. Wenn die Tretarbeit des
Fahrers durch die Verwendung des von ihm im Generator (2)
erzeugten Stroms zur Deckung des Energiebedarfs des Fahrzeugs mit
genutzt wird, kann man von einem Human and Electric Powered Hybrid
sprechen. Naturgemäß ist der
Anteil der Muskelkraft dabei relativ klein, und zwar umso kleiner,
je höher
das Fahrzeuggewicht und die Fahrgeschwindigkeit ist. D. h., der überwiegende
Anteil der Energie entstammt externen Quellen, wie z. B. dem öffentlichen
Stromnetz. Trotzdem kann man solche Fahrzeuge ultraeffizient bauen,
da sie extrem leicht sein können
und auch als Leichtfahrzeug akzeptiert werden, da es sich eben nicht
um Automobile im konventionellen Sinn handelt. 4–6 kWh/100 km sind ohne weiteres
auch bei zweisitzigen Fahrzeugen zu erreichen. Vielfältige Fahrzeugtypen
können
nach diesem Prinzip gebaut werden, vom offenen einsitzigen Zweirad
bis hin zum mehrsitzigen, mehrspurigen und vollverkleideten Fahrzeug.
Für die
energetische und klimatische Wirksamkeit ist entscheidend, welches Einsatzpotential
der gewählte
Fahrzeugtyp hat.
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Vorteil
der Erfindung ist, dass dieses Potential maximal ausgeschöpft werden
kann, weil das mit einer solchen elektronischen Motorsteuerung ausgestattete
Fahrzeug komfortabel, wartungsarm, kostengünstig und auf intuitive Weise
einfach zu bedienen ist und ein einzigartiges, überzeugendes Fahrgefühl bietet.
All dies ist notwendig um einen neuen, an urbane Bedingungen optimal
angepassten und hocheffizienten Fahrzeugtyp am Markt erfolgreich
einführen zu
können.
Zusätzlich
gewinnt man erhebliche Gestaltungsfreiheit im Package des Fahrzeugs,
da kein Bauraum für
die mechanische Transmission vorgesehen werden muss. Gerade bei
Kompaktfahrzeugen ist dies ein entscheidender Vorteil. Ferner ist
das System besonders leise, da keine rasselnde Kette notwendig ist.
Mit dieser Technologie sind Fahrzeuge möglich, die wesentliche Anteile
des urbanen Mobilitätsbedarfs
auf energieeffiziente Weise decken können und die aufgrund des aktiven
Fahrgefühls
das Zeug zu einem Life-Style-Produkt
haben. Sie können einer
auf Elektrizität
basierenden Mobilität
Bahn brechen, da sie gegenüber
konventionellen schweren Elektroautos enorme Kostenvorteile sowohl
in Anschaffung als auch im Betrieb besitzen. Sobald große Stückzahlen
dieser Fahrzeuge in Betrieb sind, entsteht auch ein erhebliches
Speicherpotenzial für elektrische
Energie durch die Batterien der Fahrzeuge, das eingesetzt werden
kann um Stromschwankungen auszugleichen (vehicle to grid). Dieses
bestechende Konzept hängt
aber davon ab, ob die Menschen bereit und finanziell in der Lage
sind, Elektrofahrzeuge zu kaufen. Dies ist bei Fahrzeugen des in
der Erfindung beschriebenen Typs am ehesten der Fall. Ferner sind
solche Fahrzeuge auch zu Trainingszwecken im Bereich des Sports
und der Rehabilitation vorteilhaft einsetzbar. Weitere erfindungsgemäße Merkmale
und Vorteile gehen aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels und aus den Zeichnungen
hervor.
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1 zeigt
das Fahrzeug 1 mit seinen im Hinblick auf die vorliegende
Erfindung wichtigsten Komponenten in schematischer Weise. Der Fahrer betätigt die
Tretkurbel 1 nach dem vom Fahrrad her bekannten Prinzip:
Will er schneller fahren, tritt er kräftiger in die Pedale und umgekehrt.
Die Tretkurbel 1 ist über
ein ins Schnelle übersetzendes
Getriebe 16 in Riemenbauart mit der Bremseinrichtung 2 verbunden,
die hier ein Generator 3 von 300 W Nennleistung ist. Das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes 16 ist so bestimmt, dass das bei 300 W Tretleistung und
bei einer Drehzahl f von 90 rpm entstehende mittlere Drehmoment
TM der Tretkurbel 1 von etwa 32 Nm dividiert durch das Übersetzungsverhältnis dem
Nennmoment des Generators entspricht. Beträgt sein Nennmoment 3,2 Nm,
so ist eine Übersetzung
von 1:10 erforderlich. Kurzzeitig höhere Tretleistungen und Drehmomentspitzen
kann der Generator 3 durch sein Überlastmoment, das häufig beim Doppelten
oder Dreifachen liegt, ausgleichen. Die hier genannten Zahlen sind
nicht verbindlich und dienen nur als Beispiel. Neben der Riemenscheibe
der Tretkurbel 1 ist ein Drehwinkelsensor 5 angebracht, der
den auf der Riemenscheibe angebrachten Winkelcode als Absolutwert
abliest und an den Regler R1 übermittelt.
Dieser hat die Aufgabe das Bremsmoment BM des Generators 3 so
einzustellen, dass die Drehzahl ω der
Tretkurbel 1 möglichst
der Solldrehzahl n entspricht. Dazu erzeugt der in Echtzeit arbeitende
Regler R1 ein Bremsmomentsignal BMS, womit er den Bremsmomentregler 13 ansteuert,
der nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation arbeitet und der sich
zusammen mit dem DC-Ladegerät 14 für die Traktionsbatterie 7 im
Generatorstromkreis befindet. Für
besonders hohe Bremsmo mentspitzen wird der Generatorstromkreis vom
Bremsmomentregler 13 kurz geschlossen, wodurch der Generator 3 als
Wirbelstrombremse arbeitet und das höchste Bremsmoment BM erzielt.
Das Bremsmomentsignal BMS wird auch an den Regler R2 übermittelt
und zur Fahrerinformation an das Display 12, wo es grafisch angezeigt
wird. Der Regler R2 vergleicht das Bremsmomentsignal BMS mit in
Testreihen ermittelten und drehwinkelbezogen abgespeicherten Signalwerten und
generiert daraus nach dem oben beschriebenen Verfahren ein Motorleistungssignal
PMS für
das Motorleistungsteil 9, das den Stromfluss zwischen Traktionsbatterie 7 und
Fahrmotoren 8 nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation
regelt. Die beiden Fahrmotoren 8 sind über Getriebe mit je einem Fahrzeugrad 10 verbunden.
Am Fahrzeugrad 10 misst ein Geschwindigkeitssensor 11 die
Fahrzeuggeschwindigkeit v und übermittelt
sie an den Regler R3. Dieser berechnet anhand des eingestellten
Fahrprogramms FP die Solldrehzahl n der Tretkurbel 1 indem
er eine entsprechende Schaltkurve S anwendet. Die Solldrehzahl n
wird anschließend
an den Regler R1 übermittelt.
Das Fahrprogramm FP wird vom Fahrer über einen zweiachsigen Schieberegler 15 eingestellt,
der in der horizontalen Achse die Vorwahl der Solldrehzahl n der
Tretkurbel 1 erlaubt und in der vertikalen Achse den Leistungswert
der Referenzkurve RK. Ein hoher Leistungswert erfordert mehr Fahrerleistung für die gleiche
Motorleistung und umgekehrt. Eine hohe Drehzahl n der Tretkurbel
und ein hoher Leistungswert erzeugen ein sehr sportliches Fahrprogramm,
eine niedrige Drehzahl n und ein geringer Leistungswert erlauben
ein sehr komfortables Fahren ohne größere Anstrengung. Im Display 12 wird zusätzlich zum
Drehmoment TM eine leistungsphysiologisch optimale Drehmomentkurve
OK eingeblendet, die es erlaubt, den persönlichen Tretstil durch gezielte
Anpassung zu optimieren. Weitere Werte wie die Fahrerleistung und
die verbrauchte Körperenergie
werden vom Bordrechner 4 berechnet und ebenfalls angezeigt.
Die Traktionsbatterie 7 wird am Stromnetz mittels eines
Netzladegeräts 6 aufgeladen.
Liegt das momentane Drehmoment TM unter dem Schwellenwert SW oder
wird die Tretkurbel 1 zurück bewegt, wird keine Motorleistung
PM angesteuert. Der Bordrechner 4 integriert nicht nur
die hier beschriebenen Regler, sondern er übernimmt auch weitere für den Betrieb
des Elektrofahrzeugs wichtige Überwachungs-
und Regelfunktionen, die aber nicht Gegenstand der Erfindung sind.
Das hier gezeichnete Fahrzeug ist vierrädrig und vollverkleidet. Andere Ausführungen
bezüglich
Karosserie, Fahrwerk und Motoranordnung sind selbstverständlich möglich.
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In 2 ist
die Schaltkurve S für
ein Fahrprogramm FP mit 10 virtuellen Gängen dargestellt. Das Verhältnis von
Drehzahl des Fahrzeugrades 10 zur Solldrehzahl n der Tretkurbel 1 wird
hier das "virtuelle Übersetzungsverhältnis" i genannt, da kein
mechanisches Getriebe existiert. Beginnend mit dem ersten Gang,
der bei Fahrzeugstillstand eingelegt wird, werden die einzelnen
Gänge bei
steigender Fahrzeuggeschwindigkeit v der Reihe nach geschaltet,
jeweils bei Erreichen der Obergrenze no der
Tretkurbeldrehzahl. Sinkt die Fahrzeuggeschwindigkeit v und damit
die Solldrehzahl n der Tretkurbel, wird erst beim Erreichen der
Untergrenze nu in den nächst kleineren Gang geschaltet.
Die Grenzen no und nu hängen vom
jeweiligen Fahrprogramm FP ab und werden über den Schieberegler 15 entsprechend
verschoben. Die dargestellte Hysteresebreite von zwei Gangstufen
ist sinnvoll, aber nicht zwingend.
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3 zeigt
eine Referenzkurve RK1 wie sie typischerweise auftritt bei ungeübten Fahrern,
die den runden Tritt nicht beherrschen. Die Werte des Drehmoments
TM der Tretkurbel 1 schwanken etwa mit dem Faktor 5. Die
Referenzkurve RK wird in Tests unter quasistationären Tretzuständen ermittelt.
Eingezeichnet ist auch das über
eine volle Tretkurbelumdrehung gemittelte Drehmoment MM1, das zur
Beurteilung darüber
herangezogen wird, ob ein quasistationärer Tretzustand vorliegt. Die
Tretkurven solcher Zustände
werden gespeichert und gemittelt um eine optimale Individualisierung
der Referenzkurve RK vornehmen zu können. Nimmt man für die Mittelung z.
B. immer die letzten 5 oder 10 der nach diesem Kriterium gespeicherten
Tretkurven, kann man eine permanente Anpassung an den persönlichen
Tretstil erreichen. Dieser kann sich durchaus in relativ kurzer Zeit ändern, dann
etwa, wenn ein deutlich anderes Leistungsniveau gefahren wird oder
wenn eine vorzeitige Ermüdung
einzelner Muskelgruppen eintritt. Es ist auch eine Klassifizierung
der gespeicherten Tretkurven nach mittlerem Drehmoment MM und nach
der Drehzahl f sinnvoll, da sich die Form der Kurven abhängig von
diesen Parametern ändern kann.
Es werden dann jeweils diejenigen Referenzkurven RK fürs Kennfeld
herangezogen, die dem der aktuellen Tretaktion in diesen beiden
Kriterien am besten entsprechen. RK2 ist eine Referenzkurve eines
Radsportlers, der den runden Tritt beherrscht. Das mittlere Drehmoment
MM2 liegt wesentlich höher,
doch treten immer noch Schwankungen mit dem Faktor 2 auf.
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In 4 ist
ein Kennfeld für
den Regler 2 beispielhaft dargestellt, das das Drehmoment
TM der Tretkurbel 1, den Drehwinkel ω der Tretkurbel 1 und die
angeforderte Motorleistung PM grafisch verbindet. Dem Drehmoment
TM entspricht in der Regel das Bremsmoment BM der Bremsvorrichtung.
Als durchgezogene Linie ist diejenige Kurve herausgehoben, die als
Referenzkurve RK1 verwendet wird und bei der gerade 50% der Nennleistung
des Fahrmotors 8 angefordert werden sollen. Dargestellt
sind in den Punkten A–F
aktuelle Drehmomentwerte TM. Dabei liegt Punkt A unterhalb des Schwellenwerts,
es wird keine Motorleistung angefordert. Punkt B liegt auf der Kurve
für 30%
Motorleistung, Punkt C bei etwa 55% und Punkt D bei 70%, obwohl
er einen geringeren Absolutwert hat als Punkt C. Da die Punkte A–D innerhalb
von 90° Drehwinkel
durchlaufen werden, was etwa in einer Viertelsekunde entspricht, wird
dieser rasche Anstieg als Kick-Down KD erkannt, womit zu schließen ist,
dass der Fahrer einen Blitzstart will. Dementsprechend wird die
volle Leistung des Motors angefordert, obwohl Punkt D unterhalb
der 100%-Kurve liegt. Punkt F liegt auf der 40% Kurve, obwohl er
im Absolutwert größer ist
als Punkt E, der bei 100% liegt. Der Fahrer wollte innerhalb einer
halben Tretkurbelumdrehung schnell starten und sofort wieder mit
der Motorleistung zurückgehen.
Die Motorregelung kann aufgrund dieses Kennfeldes extrem schnell
auf den Fahrer reagieren. Kein anderes bekanntes System ist dazu
in der Lage.
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In 5 ist
dargestellt, wie sich das vom Regler R2 erzeugte Motorleistungssignal
PMS während
einer Tretkurbelumdrehung im quasistationären Tretzustand verhält. Idealerweise
entspricht es einer horizontalen Gerade IK, die zeigt, dass ohne Änderung
der Tretaktion auch keine Leistungsänderung stattfindet. Im Beispiel
beträgt
die angeforderte Motorleistung PM wiederum 50% der Nennleistung. Demgegenüber ist
eine Kurve PK dargestellt, wie sie bei einem dem Drehmoment TM der
Tretkurbel proportionalen Regelverfahren auftreten würde. Die
Motorleistung pulsiert stark. In der Praxis treten leichte Abweichungen
von der horizontalen Geraden IK auf, da der Mensch im Straßenverkehr
nicht die Wiederholgenauigkeit einer Maschine besitzt, sondern mehr oder
minder große
Abweichungen von einer gemittelten Referenzkurve RK. Dies ist in
Kurve NK dargestellt. Die angeforderte Motorleistung PM schwankt dabei
geringfügig.
Beim Vergleich der Kurven NK und PK sieht man dennoch den enormen
Vorteil, den das erfindungsgemäße Verfahren
bringt.
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Der
Begriff "Regler" wird in der Beschreibung umgangssprachlich
benutzt. Nur R1 ist ein Regler im engeren Sinn, R2 und R3 sind Steuerungen. "Bordrechner" bedeutet hier: elektronisches
Steuer- und Regelgerät.
-
- 1
- Tretkurbel
- 2
- Bremsvorrichtung
- 3
- Generator
- 4
- Bordrechner
- 5
- Drehwinkelsensor
- 6
- Netzladegerät
- 7
- Traktionsbatterie
- 8
- Fahrmotor
- 9
- Motorleistungssteuerung
- 10
- Fahrzeugrad
- 11
- Geschwindigkeitssensor
- 12
- Display
- 13
- Bremsmomentregler
- 14
- DC-Ladegerät
- 15
- Schieberegler
- 16
- Getriebe
- TM
- Drehmoment
der Tretkurbel
- BM
- Bremsmoment
- BMS
- Bremsmomentsignal
- PM
- angeforderte
Motorleistung
- PMS
- Motorleistungssignal
- FP
- Fahrprogramm
- R1
- Regler
der Tretkurbeldrehzahl
- R2
- Regler
der Motorleistung
- R3
- Regler
der virtuellen Gangschaltung
- RK
- Referenzkurve
- RK1
- Referenzkurve "normal"
- RK2
- Referenzkurve "runder Tritt"
- RM
- Referenzmoment
- MM
- gemitteltes
Drehmoment
- KD
- Kick
Down
- OK
- optimale
Drehmomentkurve
- n
- Solldrehzahl
der Tretkurbel
- f
- Drehzahl
der Tretkurbel
- ω
- Drehwinkel
der Tretkurbel
- v
- Fahrzeuggeschwindigkeit
- i
- virtuelles Übersetzungsverhältnis
- S
- Schaltkurve
- no
- Drehzahlobergrenze
- nu
- Drehzahluntergrenze