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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit Elektroantrieb bzw. dazu gehörige Komponenten, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden sowie ein bei diesen Komponenten angewandtes Betriebsverfahren.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahren wurden zunehmend Fahrzeuge entwickelt, die einen elektrischen Antrieb aufweisen. Insbesondere die Anwendung elektrischer Antriebe bei Fahrrädern stößt auf immer größeres Interesse. Dabei werden Elektromotoren sowohl als separate Antriebseinheit als auch in Kombination mit dem manuellen Antrieb verwendet. Als Energielieferant kommen dabei Energiequellen in Form von Akkumulatoren oder Batterien zum Einsatz, die z. B. auf oder unter dem Gepäckträger bzw. alternativ auch an der Sattelstange montiert sind.
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Zum Betrieb des Elektromotors ist der Motor mit der Energiequelle verbunden. Dabei kann die Steuerung bzw. Regelung des Motors wahlweise über einen einfachen ,Gasgriff' erfolgen oder aber in Abhängigkeit vom Pedalieren des Fahrers erfolgen. Im Interesse der Sicherheit des Systems ist jedoch darauf zu achten, dass bei gravierenden Fehlfunktionen der Motor nicht unkontrolliert angesteuert wird, z. B. um eine Überhitzung und somit eine Beschädigung des Motors zu verhindern oder um zu verhindern, dass der Fahrer die Kontrolle über das Fahrzeug verliert.
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Um eine geeignete Überprüfung der Komponenten an einem elektrisch betriebenen Fahrzeug, insbesondere an einem Elektrofahrrad, zu erreichen, kann ein CAN-Protokoll eingesetzt werden. Mit diesem CAN-Protokoll kann eine vordefinierte Abfolge von Nachrichten zwischen den einzelnen Komponenten ausgetauscht werden.
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Aus dem Stand der Technik ist ein derartiges CAN-Protokoll zur Überwachung einzelner Komponenten bereits bekannt. So ist beispielsweise aus der
DE 102 11 279 A1 ein Brake-by-wire System bekannt, bei dem ein Steuergerät bzw. Prozessrechner bei einem Fehlerfall abgeschalten wird. Eine ähnliche Funktion ist in der
DE 100 52 343 A1 beschrieben, bei dem der Betrieb eines Steer-by-wire-Lenksystem in eine hydraulische Rückfallebene umgeschalten wird, wenn ein Ausfall des Bordnetzes erkannt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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In der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb beschrieben. Dabei kann es sich sowohl um ein elektrisch betriebenes Fahrrad, einen Elektroroller, einen Elektrokarren, ein Elektroauto, einen Rollstuhl, ein elektrisches Skateboard, ein elektrisches Golfmobil, ein Elektromobil, ein Segway oder sonstiges elektrisch angetriebenes Fahrzeug handeln. Der Antrieb des Fahrzeugs erfolgt über einen elektrischen Motor in einer Motoreinheit, wobei der Motor über eine Energiequelle in einer Energieeinheit mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Versorgung wird über eine elektrische Verbindung zwischen der Motoreinheit und der Energieeinheit ermöglicht, die gleichzeitig auch eine Kommunikationseinrichtung zwischen beiden Einheiten darstellt. Der wesentliche Kern der Erfindung besteht nun darin, dass die Energieeinheit selbstständig erkennt, inwieweit ein Fehlverhalten des Motors bzw. der Ansteuerung des Motors vorliegt und daraufhin die Energiezufuhr zum Motor unterbricht.
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Durch eine derartige Unterbrechung wird verhindert, dass der Motor unkontrolliert angesteuert wird, so dass ein unkontrollierter Betrieb und somit eine Beschädigungen des Motors oder eine Gefährdung des Fahrers und anderer Verkehrsteilnehmer, z. B. durch einen Brand durch eine Überhitzung verhindert wird.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Motoreinheit von sich aus über die Kommunikationseinrichtung ein Fehlersignal abgibt, wenn der Motor, ein im Motor oder der Motoreinheit befindlicher Sensor oder die Ansteuerung des Motors einen Fehler aufweist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Motoreinheit eine separate Steuereinheit aufweist, die den Zustand des Motors erfasst und ggf. ein Fehlersignal abgibt, wenn ein kritischer oder bedenklicher Fehler aufgetreten ist. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit die Ansteuersignale überwacht und auf Plausibilität überprüft, so dass auch Fehler in der Ansteuerung erkannt werden können. Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit baulich in den Motor integriert.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energieeinheit und die Motoreinheit Informationen untereinander austauschen bzw. abfragen. Dabei können beispielsweise Informationen bzgl. des Zustands des Motors oder auch der Energiequelle übertragen werden, um in der jeweils anderen Einheit verarbeitet zu werden. Dieser Informationsaustausch kann dabei sowohl durch externe Vorgänge getriggert werden als auch in vorgebbaren Zeitabständen durchgeführt werden. Vorteilhaft wäre auch, wenn dieser Abgleich bzw. diese Übermittlung in regelmäßigen Zeitabständen erfolgt.
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Besonders vorteilhaft ist weiterhin, wenn der Abgleich bzw. die Abfrage der Zustände über Frage- und Antwort-Sequenzen erfolgt. Dabei kann über vorgefertigte Antworten eine einfache Kodierung der möglichen Zustände erreicht werden.
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Eine besondere Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Energieeinheit eine Überwachungseinheit zugeordnet ist, die die Möglichkeit aufweist die Energieabgabe der Energiequelle in Abhängigkeit des Zustands wenigstens einer Komponenten des Fahrzeugs zu unterbinden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Überwachungseinheit bei der Erkennung der unterschiedlichen Zustände unterschiedliche Vorgänge steuert. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass situationsabhängig, z. B, ein Nachlassen der angeforderten Leistung die Energieabgabe gedrosselt wird, während bei einer Leistungsanforderung die Energieabgabe erhöht wird. Genauso kann vorgesehen sein, dass der Zustand unterschiedlicher Komponenten parallel überwacht wird und die Energiezufuhr nur zu derjenigen Komponenten unterbrochen wird, bei der ein kritischer Zustand erkannt wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einem Fehler der Motors, sei es im Betrieb oder bei der Ansteuerung die Energieabgabe an die den Motor eingestellt wird.
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Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass der Ladezustand der Energiequelle überwacht wird und in die Steuerung bzw. Regelung der Energieabgabe einfließt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer zu großen Energieanforderung die Energieeinheit die Abgabe von sich aus begrenzt. Vorteilhafterweise wird diese Überwachung bzw. Steuerung/Regelung von der Überwachungseinheit übernommen, die der Energieeinheit zugeordnet ist.
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Die Überwachungseinheit kann baulich in die Energieeinheit integriert sein. Sie kann jedoch auch separat angeordnet sein und nur über eine geeignete Schnittstelle mit der Energieeinheit verbunden sein. Denkbar ist hierbei beispielsweise, die Energieeinheit als abnehmbare Einheit zu konstruieren, die in einem Einsatz bzw. einer Halterung am Fahrzeug montiert ist. Falls die Energieeinheit die Überwachungseinheit nicht enthält, kann diese in dem Einsatz bzw. in der Halterung integriert vorgesehen sein. Über den Einsatz bzw. die Halterung kann dann die elektrische und kommunikative Verbindung mit den anderen Komponenten am oder im Fahrzeug hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug neben dem elektrischen Antrieb auch einen manuellen (Pedal-)Antrieb aufweist. So kann beispielsweise ein Elektrofahrrad neben dem Betrieb mit dem Elektromotor auch als konventionellen Fahrrad mit Pedalantrieb verwendet werden. Vorteilhaft ist hierbei, wenn der elektrische und der konventionell manuelle Antrieb eine bauliche Einheit bilden und gleichzeitig betrieben werden können.
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Optional kann vorgesehen sein, die Kommunikationsverbindung zwischen Motoreinheit und Energieeinheit mit einem CAN-Protokoll auszuführen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit in der Motoreinheit mittels der elektrischen Energie der Energiequelle gesteuert wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In der 1 ist schematisch ein elektrisch betriebenes Fahrrad mit einer Energieeinheit und einer Motoreinheit abgebildet. Die 2 zeigt in einem Blockschaltbild die elektrische und kommunikative Verbindung zwischen der Energieeinheit und der Motoreinheit. Mit dem Flussdiagramm in der 3 wird der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsform wird die Erfindung am Beispiel eine elektrisch betriebenen Fahrrads beschrieben. Daneben soll die Erfindung jedoch auch bei jeder anderen Art von elektrisch betriebenem Fahrzeug verwendet werden können. Denkbar ist beispielsweise die Anwendung bei einem Elektroroller, einem Elektrokarren, einem Elektroauto, einem Rollstuhl, einem elektrischen Skateboard, einem elektrischen Golfmobil, einem Elektromobil, einem Segway oder einem in sonstiger Weise angetriebenen elektrischen Fahrzeug.
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In der 1 ist schematisch ein Fahrrad 100 dargestellt, welches mittels eines in einer Motoreinheit 110 integrierten Elektromotors angetrieben werden kann. Dabei kann dahingestellt bleiben, ob der vorgesehene Antrieb ein selbstständiges Fahren oder nur einen unterstützenden Antrieb ermöglicht. Weiterhin ist in der 1 eine Energieeinheit 130 mit zugehöriger Befestigung 140 zur Versorgung der Motoreinheit 110 mit elektrischer Energie zu erkennen. Diese abgebildete Energieeinheit stellt einen speziellen Akku-Pack dar, der innerhalb des Rahmendreiecks untergebracht ist. Dabei kann vorgesehen sein, den Akku-Pack in einer dargestellten aufgeklappten Version oder einer nicht dargestellten zusammengeklappten Version zu befestigen. Neben dieser Form des Akku-Packs sind jedoch auch andere kompakte Bauweisen denkbar.
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Zwischen der Energieeinheit 130 und der Motoreinheit 110 ist eine elektrische Verbindung vorgesehen, die sowohl die Energieversorgung des elektrischen Motors 110 als auch eine Kommunikationseinrichtung darstellt (nicht dargestellt). Realisiert werden kann diese elektrische Verbindung, indem in wenigstens einer der der Energieeinheit 130 zugeordneten Befestigung 140 eine entsprechende Schnittstelle untergebracht ist, die eine Verbindung zur abnehmbaren Energieeinheit bzw. zum Akku-Pack 130 herstellt. Diese Schnittstelle kann dann mittels elektrischer Leitungen oder auch Flachbandkabeln mit dem Elektromotor 110 oder weiteren Komponenten wie einem Anzeige- und/oder Bedienelement 120 verbunden werden.
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Über die Kommunikationseinrichtung können alle bzw. die wesentlichen am Fahrzeug befindlichen Komponenten miteinander kommunizieren, um sich gegenseitig aufeinander abzustimmen oder eine optimale Steuerung/Regelung der Motoreinheit 110 zu ermöglichen. Weiterhin ist über die Kommunikationseinrichtung eine Weitergabe der Daten an das Anzeige- und Bedienelement 120 möglich.
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In der 2 ist schematisch das Zusammenspiel zwischen einer Motoreinheit 200 und einer Energieeinheit 300 dargestellt. Beide Einheiten sind über ein Verbindungssystem aus elektrischen Leitungen 400 und 410 miteinander verbunden. Auch wenn in der 2 die elektrische Versorgung 400 und die Kommunikationseinrichtung 410 mittels zweier separater Leitungen angedeutet ist, ist es zweckmäßiger, beide Funktionen mittels einer gemeinsamen Verbindung, z. B. einem gemeinsam Kabel oder sogar mittels einer gemeinsamen Leitung durchzuführen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung eines CAN-Protokolls erreicht werden, bei dem sowohl Energie als auch Informationen über die gleichen Leitungen transportiert werden können.
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In der Motoreinheit 200 ist neben dem elektrischen Motor 210 eine Steuereinheit (ECU) 220 vorgesehen, die üblicherweise als μC realisiert wird. Diese Steuereinheit kann wahlweise aufgrund von externen Vorgaben aber optional auch aufgrund eigener Messdatenerhebung die Ansteuerung 230 des Motors 210 übernehmen. Die externen Vorgaben bzw. die Messdatensignale können über die Kommunikationseinrichtung 410 erfasst werden, während die Energieversorgung mittels der elektrischen Verbindung 400 erfolgt. Neben der Erfassung von Daten kann die Kommunikationseinrichtung 410 auch dazu genutzt werden, Informationen abzugeben, die die Steuereinheit 220 erfasst hat.
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Die Energieeinheit 300 weist demgegenüber zumindest eine Energiequelle 320 auf. Dieser Energiequelle 320 ist eine Überwachungseinheit 310 zugeordnet, die gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 in der Energieeinheit 300 integriert ist. Die Überwachungseinheit 310 kann vorgesehen sein, den Ladezustand der Energiequelle 320 über eine entsprechende Sensorleitung 340 abzufragen. Dies kann besonders bei einem rekuperierenden System sinnvoll sein, bei dem der Motor 210 auch als Generator arbeiten kann, um somit Energie zurückzugewinnen, die in der Energiequelle abgespeichert werden kann. Darüber hinaus ist die Überwachungseinheit 310 jedoch vorgesehen, den Energiefluss 330 von der Energiequelle 320 zu den einzelnen Komponenten, z. B. dem Motor 210 zu steuern bzw. zu regeln. Hierzu ist wahlweise eine separate elektrische Leitung 400 oder eine mit der Kommunikationseinrichtung 410 kombinierte elektrische Verbindung vorgesehen.
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Die Überwachungseinheit 310 erhält über die Kommunikationseinrichtung 410 Daten von anderen im Verbund vorgesehen Komponenten und stellt über diese Kommunikationseinrichtung 410 ebenfalls Informationen beispielsweise über den Ladezustand der Energiequelle 320 zur Verfügung. Durch die so erhaltenen Daten kann eine gezielte Steuerung und Regelung der Energieversorgung der Komponenten erreicht werden. Wird ein Fehlerverhalten einer Komponenten erkannt, beispielsweise das Festsitzen des Motors 210, so kann die Überwachungseinheit 310 die Energieversorgung dieser Komponenten unterbrechen, um eine weitere Beschädigung der Komponenten zu verhindern.
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Das Verfahren, welches in der Überwachungseinheit 310 zur Durchführung dieser Aufgabe durchlaufen wird, hat mehrere Ausgestaltungsmöglichkeiten. So ist durchaus denkbar, dass die Überwachungseinheit 310 nur auf die Bereitstellung eines entsprechenden Fehlersignals reagiert, beispielsweise durch die Steuereinheit 220 des Motors 210, die eine falsche Ansteuerung oder einen Betriebsfehler des Motors anzeugt. Darüber hinaus ist jedoch auch denkbar, dass die Überwachungseinheit 310 gezielt Abfrage-Sequenzen aussendet, die von den einzelnen überwachten Komponenten über die Kommunikationseinrichtung 410 empfangen werden können. Reagieren diese Komponenten dann nicht mit einer vordefinierten Antwort auf diese Abfrage-Sequenzen, wird in der Überwachungseinrichtung eine Begrenzung oder eine Abschaltung der Energieversorgung dieser Komponenten durchgeführt. Diese Frage/Prüfimpuls-Antwort-Sequenzen können durch eine externe Triggerung aber auch in vorgegebenen Zeitabständen initiiert werden. Vorteilhaft ist, wenn diese Sequenzen in regelmäßigen Abständen erfolgen, da hierdurch auch die Überwachungsreinrichtung überwachte werden kann. So kann beispielsweise auf einen Fehler in der Überwachungseinrichtung, in der Schnittstelle oder in der Kommunikationseinrichtung geschlossen werden, wenn entweder die Frage/Prüfimpulse nicht gesendet oder die Antworten nicht empfangen werden.
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Im vorliegenden Beispiel gemäß der 2 sowie des Flussdiagramms der 3 bedeutet dies, dass die Überwachungseinheit 310 eine Prüfimpuls über die Kommunikationseinrichtung 410 an die Steuereinheit 220 aussendet (Schritt 500). Reagiert die Steuereinheit 220 durch einen Fehler in der Motoreinheit 200 nicht wie gefordert auf diesen Prüfimpuls (Schritt 510), unterbricht die Überwachungseinheit 310 die Energieversorgung 400 zur Motoreinheit 200 und somit zum Motor 210 (Schritt 520).
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Bei einer Fehlererkennung kann auch eine optische und/oder akustische Information an den Fahrer erzeugt werden, beispielsweise über ein angeschlossenen Anzeige-/Bedienelement.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ebenfalls vorgesehen sein, dass auf eine separate Steuereinheit 220 in der Motoreinheit 200 verzichtet wird und die Steuerung bzw. Regelung des Motors 210 über eine externe Steuereinheit, z. B. die Überwachungseinheit 310 erfolgt.
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Bei einer Ausgestaltung der Energieeinheit 300 als abnehmbare Komponente, beispielsweise zu Aufladezwecken oder als Diebstahlschutz, ist dafür Sorge zu tragen, dass in der Halterung der Energieeinheit 300 eine Schnittstelle vorgesehen ist, mittels der sowohl die elektrische Verbindung 400 als auch die Kommunikationseinrichtung 410 an die fest installierten Einrichtungen am Fahrzeug angekoppelt werden können. An diese Schnittstelle sind bzgl. der Robustheit besondere Anforderungen zu stellen, da mit häufigen Entnahmen der Energieeinheit zu rechnen ist.
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Statt dem Einbau der Überwachungseinheit in ein gemeinsames Gehäuse mit der Energiequelle kann auch vorgesehen sein, die Überwachungseinrichtung baulich von der Energiequelle zu trennen, wie es bereits eingangs bei der Beschreibung der 1 angedeutet worden ist. So ist denkbar, die Überwachungseinrichtung in die Halterung für die (abnehmbare) Energieeinheit zu integrieren. Auch bei dieser Ausgestaltung ist darauf zu achten, dass eine Schnittstelle zwischen der Energieeinheit und der Halterung vorgesehen ist, die alle notwendigen Energie- und Informationsübergaben sicherstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10211279 A1 [0005]
- DE 10052343 A1 [0005]
